EP3074333B1

EP3074333B1 - Changiereinheit und verfahren zur steuerung einer changiereinheit

Info

Publication number: EP3074333B1
Application number: EP14802409.4A
Authority: EP
Inventors: Markus RÜTER
Original assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: EP3074333A1; CN105722776A; WO2015078763A1; JP6490072B2; JP2016538208A; CN105722776B

Description

Die Erfindung betrifft eine Changiereinheit und ein Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit eines Fadens zum Wickeln einer kreuzgewickelten Spule. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Steuerung für eine Fadenführung, bei der ein auf einem Zahnriemen angebrachter Fadenführer einen Faden exakt changiert.
Fäden oder Garne oder auch Fasern und Filamente werden nach dem Erzeugen und nach Bearbeitungsschritten auf Spulen gewickelt. Dabei wird in der Literatur auch unter dem Begriff Spulgut jedes faden- oder bandförmige Material verstanden, welches sich beispielsweise im Kreuzspulverfahren auf eine Spule oder einen Wickel aufspulen lässt. Nachfolgend wird hierfür der Begriff Faden verwendet.
Der Faden wird dabei mit seinem Anfang auf einem Spulenkern festgelegt, sodass der Faden bei Rotation des Spulenkerns auf diesen gezogen und damit der Faden auf dem Spulenkern aufgespult oder gewickelt wird und so Fadenwicklungen entstehen. Wird der Faden bei einem solchen Aufspulvorgang nicht geführt, so liegen die Fadenwicklungen typischerweise nicht geordnet nebeneinander. Solche Spulen sind für die maschinelle Weiterverarbeitung nahezu unbrauchbar, da der Faden nicht gleichmäßig abgewickelt werden kann und entsprechend schnell reißt. Dementsprechend ist eine geordnete Wicklung notwendig, bei der die einzelnen Fadenwicklungen definiert nebeneinander liegen. In an sich bekannter Weise wird der aufzuspulende Faden dazu mittels einer Fadenführungseinrichtung so geführt, d.h. changiert, dass die Fadenwicklungen nebeneinander auf die Spule gezogen werden. Der Faden wird dabei gleichmäßig über die gesamte Breite der entstehenden Spule geführt, d.h. über den Changierhub, wobei die Fadenführungseinrichtung typischerweise parallel zur Spulenachse in einer transversalen Bewegung geführt wird.
Bei der Wicklung der Spule soll der Faden möglichst präzise geführt werden, sodass die einzelnen Wicklungen des Fadens möglichst präzise auf der Spule abgelegt werden und somit der Faden entsprechend präzise und gleichmäßig von der Spule abgespult werden kann. Dabei soll die Changiereinheit zum einen den Faden möglichst präzise führen, gleichzeitig soll die Fadenführung jedoch ausreichend schnell sein, sodass der Faden mit möglichst großer Geschwindigkeit auf der Spule abgelegt werden kann.
Die Changiereinheit kann dabei einen Fadenführungsschlitten, einen sogenannten Fadenführer, mit einer den Faden führenden Öse aufweisen, wobei der Fadenführer an einem Riemen, beispielsweise einem Zahnriemen festgelegt ist. Der Fadenführer kann in einer Führungsschiene geführt und von einem motorisch angetriebenen Rad, beispielsweise einem Zahnriemenrad, angetrieben werden. Damit bestimmt der Antriebsmotor über das Antriebsrad und den Riemen die Bewegung des Fadenführers. Entsprechend muss für eine möglichst präzise Positionierung des Fadenführers und eine entsprechend präzise Ablage des Fadens auf der Spule der Motor so angesteuert werden, dass der Fadenführer schnell und exakt positioniert wird.
Eine derartige Changiereinheit sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit sind beispielsweise aus der DE 103 22 533 A1 bekannt. Bei der bekannten Changiereinheit wird der motorisch angetriebene Fadenführer innerhalb eines Changierhubes hin- und hergeführt. Dabei wird der Motor in Abhängigkeit von einer Istposition einer Rotorwelle des Motors gesteuert, wobei der Rotorwelle eine zusätzliche Voreilung um einen Voreilungswinkel aufgeprägt ist. Derartige Steuerungen können jedoch insbesondere in den Umkehrbereichen des Fadenführers zu erheblichen Abweichungen der gewünschten Sollpositionen und insbesondere zu erheblichen Abweichungen der Sollgeschwindigkeiten führen.
Eine weitere Changiereinheit sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit ist aus der WO 99/00 50 55 bekannt. Bei der bekannten Changiereinheit wird der motorisch angetriebene Fadenführer innerhalb eines Changierhubes in seiner Position erfasst und in Abhängigkeit von einem Ist-Soll-Vergleich durch eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit gesteuert. Zur Erfassung der Ist-Position des Fadenführers ist ein Winkelgeber mit dem Antriebsmotor gekoppelt und mit einer Steuereinrichtung verbunden. Hierbei ist eine hohe Messgenauigkeit der Ist-Position erforderlich, um eine exakte Führung des Fadenführers zu erhalten. So stellen insbesondere die verschiedenen Bewegungsabschnitte des Fadenführers und die damit einhergehenden unterschiedlichen Führungsgeschwindigkeiten eine besondere hohe Anforderung an die Messgenauigkeit des Winkelgebers
In der JP S59 225354 A wird eine Geschwindigkeitsmessmethode offenbart, wobei das Winkelinkrementsignal eines Inkrementalgebers in einer FQC (frequency-quadrivalencecircuit) Auswerteeinheit verarbeitet und anschließend in zwei parallelen Zweigen für verschiedene Winkelgeschwindigkeiten ausgewertet wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Changiereinheit und ein Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit zu schaffen, bei welcher bzw. welchem der Motor den Fadenführer insbesondere an den Enden des Changierhubes zur Ablage des Fadens an einer Spulenoberfläche mit hoher Präzision führt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Changiereinheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der jeweiligen Unteransprüche definiert.
Die Erfindung berücksichtigt die verschiedenen Bewegungsabschnitte des Fadenführers, welcher einen Changierhub oszillierend durchlaufen muss. Insbesondere in den Umkehrbereichen des Changierhubes sind schnelle Winkelgeschwindigkeitsänderungen des Fadenführers erforderlich. Insoweit sind im Umkehrbereich des Fadenführers besonders schnelle Regelstrecken mit höchster Genauigkeit gewünscht. Damit derartige schnelle Regelstrecken in einem Linearbereich des Fadenführers mit im wesentlichen konstanter Führungsgeschwindigkeit keine Fehlreaktionen erzeugt, weist die erfindungsgemäße Changiereinheit eine Steuerung mit einer ersten QEP-Auswerteeinheit (QEP = Quadratur Encoder Pulse) zur Erzeugung eines ersten Datenstroms und eine zweite QEP-Auswerteeinheit zur gleichzeitigen Erzeugung eines zweiten Datenstromes auf. So besteht die Möglichkeit, die von dem Winkelgeber erzeugten Winkelinkrementsignale differenziert auszuwerten und um daraus eine für den Bewegungsabschnitt des Fadenführers bevorzugte Steuerung des Motors zu erhalten.
Die erste QEP-Auswerteeinheit ist mit einer ersten Taktfrequenz für hohe Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle programmiert und die zweite QEP-Auswerteeinheit ist mit einer zweiten Taktfrequenz für niedrige Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle programmiert So können durch unterschiedliche Tastraten entsprechende Messgenauigkeiten erzeugt werden, die sich in den Datenströmen der QEP-Auswerteeinheiten wiederspiegelt.
So wird bevorzugt die erste Taktfrequenz der ersten QEP-Auswerteeinheit zur Erzeugung eines Taktes für einen Intervall einer Anzahl von N-Winkelinkrementen bestimmt, wobei N > 2 ist. Die zweite Taktfrequenz der zweiten QEP-Auswerteeinheit ist zur Erzeugung eines Taktes für jedes separate Winkelinkrementes bestimmt. Somit lassen sich die vom Inkrementalgeber erzeugten Winkelinkrementsignale entsprechend der vorherrschenden Winkelgeschwindigkeit auswerten und zur Steuerung des Motors nutzen.
Um einen für jeden Bewegungsabschnitt des Fadenführers günstige Steuerung des Motors zu erhalten, ist desweiteren ein Datenstromkoppler innerhalb der Steuereinrichtung vorgesehen, welcher mit den QEP-Auswerteeinheiten verbunden ist und welcher in Abhängigkeit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit einen der Datenströme der QEP-Auswerteeinheiten zur Regelung des Motors freigibt.
Für die Übertragung der Winkelinkrementsignale an die QEP-Auswerteeinheiten ist desweiteren eine Signalaufbereitungseinheit vorgesehen, durch welche eine Doppelung eines Signals des Inkrementalgebers erzeugbar ist. Damit erhalten die QEP-Auswerteeinheiten identische Signale ohne jegliche Verzerrung.
Darüberhinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Signalaufbereitungseinheit einen Optokoppler aufweist, durch welchen die Übertragung der verdoppelten Winkelinkrementsignale erfolgt. So lässt sich der Inkrementalgeber galvanisch von den QEP-Auswerteeinheiten trennen. Damit können elektrische Störgrößen bei der Übertragung der Winkelinkrementsignale vorteilhaft vermieden werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigen

Figur 1:: ein Schema einer Changiereinheit zur Führung eines Fadens beim Aufwickeln;
Figur 2:: eine schematische Darstellung der Signale des Inkrementalgebers;
Figur 3:: eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Changiereinheit

Figur 1 zeigt eine schematische Abbildung einer Changiereinheit 100, die an einem Montageblech angeordnet sein könnte und bei der ein Faden 110 durch eine Öse eines Fadenführers 120 geführt ist. Der Fadenführer 120 ist mit einem Riemen 130, hier einem Zahnriemen, gekoppelt, d.h. in der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Fadenführer 120 fest auf den Zahnriemen 130 aufgesteckt. Der Riemen 130 läuft über ein Antriebsrad 140, hier ein Zahnrad für den Zahnriemen, und über zwei Umlenkrollen 150-1 und 150-2. Zwischen den beiden Umlenkrollen 150-1 und 150-2 ist der Riemen durch eine Führungsschiene 160 geführt. Der Fadenführer 120 ist dabei so an dem Riemen 130 angebracht, dass dieser in der Führungsschiene 160 zwischen den Umlenkrollen 150-1 und 150-2 läuft. Das Antriebsrad 140 ist mit einer Antriebswelle 171 eines elektrischen Motors 170 verbunden, der über das Antriebsrad 140 den Riemen 130 und damit den Fadenführer 120 bewegt, sodass dieser zwischen beiden Umlenkrollen 150-1 und 150-2 hin- und herbewegt wird. Dabei ist in der hier beschriebenen Ausführungsform die Antriebswelle 171 des Motors 170 gleichzeitig die Drehachse des Antriebsrads 140, sodass jede Drehbewegung des Motors 170 exakt auf das Antriebsrad 140 übertragen wird. Alternativ zu dieser direkten Kopplung zwischen Antriebsrad und Motor können der Motor und das Antriebsrad beispielsweise auch über ein Getriebe oder ähnliches zur Übertragung der Drehbewegung miteinander verbunden sein.
Der Motor 170 kann dabei ein Schritt- oder Servomotor sein, der mit einer entsprechenden Leistungs- und Steuerungselektronik verbunden ist.
Eine Drehbewegung des Motors 170 führt damit zu einer Drehbewegung des Antriebsrades 140, welches wiederum den Riemen 130 bewegt, sodass der Riemen 130 und damit der mit dem Riemen 130 gekoppelte Fadenführer 120 zwischen den beiden Umlenkrollen 150-1 und 150-2 eine translatorische Bewegung ausführt. Die Strecke dieser Bewegung zwischen den beiden Umkehrpunkten der Bewegung ist damit der Changierhub.
Die Bewegung des Fadenführers 120 ist insbesondere an den Umkehrpunkten von Bedeutung. Dabei ist der Umkehrpunkt der translatorischen Bewegung des Fadenführers 120 exakt einzuhalten, sodass der Faden auf der Spule ebenso exakt seine Ablagerichtung umkehrt und Abschläger vermieden werden. Ein sogenannter Abschläger ist dabei eine Fadenwicklung, die neben die bisherigen Spulenwicklungen direkt auf die Spulenachse fällt. Solche Abschläger bewirken, dass der Faden beim Abspulen bei Erreichen des Abschlägers reißen würde. Spulen mit derartigen Abschlägern sind für viele maschinelle Anwendungen unbrauchbar.
Zur exakten Positionierung und Bewegung des Fadenführers 120 weist die Changiereinheit 100 einen Dreh- oder Inkrementalgeber 180 auf, der die Rotation der Antriebswelle 171 ermittelt. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Inkrementalgeber 180 direkt auf die Antriebswelle 171 des Motors 170 aufgesetzt und ermittelt damit direkt die Rotation der Antriebswelle 171. Alternativ kann der Inkrementalgeber beispielsweise über ein Getriebe oder eine ähnliche mechanische Verbindung mit der Antriebswelle des Motors gekoppelt sein, um die Rotation der Antriebswelle 171 zu ermitteln.
Im Betrieb gibt der Inkrementalgeber 180 ein Winkelinkrementsignal aus, welches eine Rotation der Antriebswelle 171 des Motors 170 wiedergibt. Das Winkelinkrementsignal selbst kann dabei beliebig sein, d.h. es kann ein Lichtsignal oder ein elektrisches Signal sein. In der hier beschriebenen Ausführungsform gibt der Inkrementalgeber 180 ein elektrisches Winkelinkrementsignal aus. In einer Ausführungsform kann dies ein an sich bekannter Inkrementalgeber vom Typ US-Digital E6-2000 sein. Dieser liefert pro Umdrehung der Antriebswelle und bei Auswertung aller Signalflanken 8000 Winkelinkremente, wobei bei diesem Inkrementalgeber die Information über zwei Auswertespuren ausgegeben werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung 200 der elektrischen Winkelinkrementsignale der Spuren A und B, siehe 210 bzw. 220, wie diese bei Rotation der Antriebswelle 171 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vom Inkrementalgeber 180 ausgegeben werden. Die in 210 und 220 schematisch dargestellten Signalverläufe zeigen, dass bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171 zeitlich äquidistante Impulse ausgegeben werden, wobei die Impulse A und B um eine Viertelperiodendauer versetzt sind. Betrachtet man die Flanken der Signalspuren A und B, so ergibt sich eine Information wie in 230 dargestellt, wobei jede Flanke eine Information über eine Änderung der Lage der Antriebswelle ist, eine sog. Lage-Iständerung.
Aus diesen von dem Inkrementalgeber gelieferten Signalen lassen sich sowohl die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171, die Rotationsrichtung und auch die relative Position des Fadenführers 120 ermitteln. Ordnet man beispielsweise einer ersten Lage der Antriebswelle die Inkrementposition 5 zu, so ist zu erkennen, dass mit jeder Flanke eines Signals die Antriebswelle in das nächste Winkelinkrement gedreht hat, siehe 240.
Die Drehzahl, also die Winkelgeschwindigkeit oder Rotationsgeschwindigkeit, der Antriebswelle kann in bekannter Weise aus der zeitlichen Änderung des Winkels ϕ ermittelt werden, wobei ϕ über die Anzahl der zurückgelegten Winkelinkremente ermittelbar ist: $φ = Winkelinkremente \cdot \frac{2 π}{Inkrementzahl}$
Damit ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω als zeitliche Ableitung des Winkels ϕ $ω = dφ / dt$
Werden nun während eines festen Abtastzeitintervalls T_Abtast die eingehenden Winkelinkrementinformationen aufaddiert zu ΔWinkelinkremente, so ergibt sich für die Winkelgeschwindigkeit ω $ω = \frac{Δ Winkelinkremente}{T_{Abtast}} \cdot \frac{2 π}{Inkrementzahl}$
Alternativ kann die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle mittels der Zeit T_Ereignis zwischen dem Auftreten zweier festgelegter Ereignisse, also einer Anzahl von überstrichenen Winkelinkrementen, ermittelt werden. Dementsprechend ergibt sich dann die Winkelgeschwindigkeit zu $ω = \frac{2 π}{T_{Ereignis} \cdot Inkrementzahl}$
Hierzu ist anzumerken, dass beide der oben beschriebenen Bestimmungsmethoden verwendet werden können.
Die Rotationsrichtung der Antriebswelle kann in an sich bekannter Weise aus der zeitlichen Abfolge der Signale der Spuren A und B ermittelt werden. Sind die Pegel der beiden Spuren A und B, siehe in Figur 2 Signal 210 bzw. 220, des Signalgebers beispielsweise auf logisch Null, so kann die Drehrichtung darüber ermittelt werden, ob als nächstes Signal eine logische Eins zuerst bei Spur A oder bei Spur B gemeldet wird. Durch Auswertung der jeweiligen Zustände der Signale der Spuren A und B kann somit jeweils die Drehrichtung eindeutig ermittelt werden.
Die Bestimmung der absoluten Position der Antriebswelle kann zum einen über eine sogenannte Einrichtfahrt stattfinden, bei der der Fadenführer eine bestimmte Position anfährt und diese als Referenzposition für die nachfolgenden relativen Positionsbestimmungen dient. Eine solche Referenzposition kann in einer Ausführungsform ein Umkehrpunkt des Fadenführers sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Inkrementalgeber bei einer bestimmten Position ein Referenzsignal liefern, sodass über dieses eine Referenzposition festgelegt werden kann. Sobald die absolute Position des Fadenführers ermittelt ist, kann über die oben angegebenen Methoden die Position in Relation zur Referenzposition ermittelt werden.
Der maximale Winkelfehler einer damit ermittelten Position, die auf ein Winkelinkrement bestimmt werden kann, ist damit die Winkelbreite eines Winkelinkrements $φ = \frac{2 π}{Inkrementzahl} .$
Dieser Winkelfehler ist damit umgekehrt proportional zur Anzahl der von dem Inkrementalgeber pro Achsumdrehung ausgegebenen Inkremente. Über die Geometrie der mechanischen Kopplung zu dem Fadenführer, d.h. in der hier beschriebenen Ausführungsform über den Radius des Antriebsrades, bestimmt dieser Winkelfehler damit direkt den Positionsfehler des Fadenführers.
Dieser Fehler ist jedoch in der Praxis nicht erreichbar, sondern ist tatsächlich größer, da zu diesem prinzipbedingten Fehler weitere Fehler hinzukommen. Dies können unter anderem mechanische Ungenauigkeiten des Inkrementalgebers sein, beispielsweise mechanische Ungenauigkeiten, oder Signallaufzeiten, die der zeitnahen Verarbeitung entgegenstehen. Diese Ungenauigkeiten können dazu führen, dass sich bei der Bestimmung der Ereigniszeit T_Ereignis eine Schwankung um den theoretischen Wert einstellt. Aufgrund eines zeitlichen Taktzitterns der Winkelinkrementsignale , das in der Fachwelt als sogenannter Jitter bekannt ist, tritt im realen Zustand eine Schwankung auf. Insoweit ergeben sich unterschiedliche Ereigniszeiten zu T_EreignisMin und T_EreignisMax. Die sogenannte Jitterzeit t_Jitter ist von zahlreichen Einflussgrößen wie z.B. der Qualität des Winkelinkrementgebers und der Taktfrequenz einer Auswerteeinheit abhängig. Da die Drehzahl über die Ereigniszeit gemessen wird, sind somit derartige Effekte bei der Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
Weiterhin ergibt sich in der Praxis ein weiteres Problem, falls die Abtastzeit für die von dem Inkrementalgeber bereit gestellten Signale größer als die Taktzeit ist, mit der die Inkrementsignale tatsächlich bereitgestellt werden. Findet beispielsweise das Abtasten der Inkrementalwerte mit einer Abtastrate von 20kHz statt, so dass sich ein Abtastintervall von T_Abtast = 50µs ergibt, während der Motor mit einer maximalen Winkelgeschwindigkeit, oder Drehzahl, von 17 Hz dreht und der Inkrementalgeber pro Umdrehung die oben erwähnten 8000 Inkrementinformationen bereitstellt, so ergibt sich eine Ereigniszeit zwischen zwei Inkrementen von $T_{Ereignis} = 1 / (8000 \cdot 17 Hz) = 7,35 μs .$
Demzufolge liegen mehrere Inkrementinformationen (Signalflanken) innerhalb eines Abtastintervalls. Diese könnten zwar von einer Auswerteeinheit eingelesen werden, jedoch würde die Auswerteeinheit nur die jeweils letzte Ereigniszeit in ihrem Speicher festhalten, sodass eine von der Auswerteeinheit neu ermittelte Ereigniszeit die jeweils zuletzt ermittelte und gespeicherte Ereigniszeit überschreiben würde. Ist das Abtastintervall größer als die Ereigniszeit, so liest die Steuerung nur die zuletzt von der Auswerteeinheit gespeicherte Ereigniszeit aus. Bei einer hohen Drehzahl des Motors werden damit nicht alle Ereigniszeiten von der Steuerung aus einer Auswerteeinheit ausgelesen. Wählt man hingegen die Anzahl der auszuwertenden Inkremente größer, so dass das Zeitintervall zwischen zwei Winkelinkrementsignalen bei gleicher Drehgeschwindigkeit größer wird, dann wird der erreichbare Winkel- bzw. Positionsfehler größer. Eine solche Auswertung über mehrere Winkelinkremente ist jedoch nachteilig im Reversiervorgang, da hier die Winkelgeschwindigkeit gering ist, sodass eine höhere Auflösung möglich ist. Die höhere Auflösung ist beim Reversiervorgang gewünscht, da hier eine exaktere Steuerung erforderlich ist.
Figur 3 zeigt ein Schema 300 der erfindungsgemäßen Changiereinheit zur Lösung dieses Problems. Dabei ist der Motor 170 mit dem Inkrementalgeber 180 verbunden, welcher die Inkrementsignale in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Antriebswelle 171 des Motors 170 erzeugt. Die von dem Inkrementalgeber 180 ausgegebenen Winkelinkrementsignale werden in einer Signalaufbereitungseinheit 310 aufbereitet und nach einer Doppelung anschließend einer ersten sogenannte QEP-Auswerteeinheit 320-1 (QEP=Quadratur Encoder Pulse) (QEP1) und einer zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 (QEP2) zugeleitet. Die Signalaufbereitungseinheit 310 weist hierzu einen Optokoppler 370 auf, so dass das der Inkrementalgeber 180 von den QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 galvanisch entkoppelt ist. Die QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 verarbeiten die von dem Inkrementalgeber 180 zugeleiteten Winkelinkrementsignale und leiten daraus erzeugte Datenströme von Winkelinformationen an eine Steuerung 330 weiter. Die QEP-Auswerteeinheiten können dabei als separate Funktionsblöcke implementiert oder integraler Bestandteil der Steuerung 330 sein. Sofern möglich kann das von dem Inkrementalgeber 180 erzeugte Winkelinkrementsignal bzw. das daraus gewandelte elektrische Signal ohne vorheriger Doppelung den QEP-Auswerteeinheiten zugeleitet werden.
Die QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 können mit einer derartigen Taktfrequenz programmiert sein, dass diese die Zeit T_Ereignis zwischen zwei oder einer beliebigen Anzahl von Inkrementen als Signal ausgeben und/oder die aktuelle Winkelposition ausgeben, beispielsweise als Winkelinkrement, und/oder die Drehrichtung ausgeben. Dazu wird eine QEP-Auswerteeinheit typischerweise mit einer Taktfrequenz programmiert und stellt dann einen Datenstrom von Winkelinkrementinformationen entsprechend der Programmierung bereit, die während des Betriebs dann von der Steuerung auszulesen, d.h. abzutasten, sind.
Die von den QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 bereitgestellten Datenströme werden dann von einer Steuerung 330, die typischerweise einen Prozessor 360 enthält, ausgelesen und -wie nachfolgend beschrieben- weiter verarbeitet. Dabei werden die von dem Inkrementalgeber 180 erzeugten Winkelinkrementsignale jeweils an die QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 übertragen.
Die Steuerung 330 ist mit dem Motor 170 über die Leitung 340 elektrisch verbunden und steuert diesen. Zum einen steuert damit die Steuerung 330 den Motor 170, zum anderen erhält die Steuerung 330 über den Inkrementalgeber 180, die Signalaufbereitung 310 und die beiden QEP-Auswerteeinheiten 320-1, 320-2 Informationen über den angesteuerten Motor 170. Die Steuerung selbst kann dabei als digitale Schaltung ausgebildet sein, also eine sogenannte CPU (Central Processing Unit) und entsprechende periphere Beschaltungselemente, wie beispielsweise D/A- und/oder A/D für die Signalwandlung, sowie Leistungshalbleiter zur Erzeugung der Steuersignale für den Motor aufweisen.
Die erste QEP-Auswerteeinheit, also 320-1, ist dabei mit einer ersten Taktfrequenz so eingerichtet, dass diese den zeitlichen Abstand zwischen einem Nullten und einem N-ten Winkelinkrement ermittelt und als Datenstrom der Steuerung 330 zur Verfügung stellt, wobei N größer gleich 2 ist, sodass die QEP-Auswerteeinheit 320-1 die Zeitdauer für das Überstreichen von einer Anzahl N Inkrementen ermittelt, mit N≥2. Damit signalisiert die erste QEP-Auswerteeinheit 320-1 nicht den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden, also benachbarten, Winkelinkrementen, sondern den Abstand zwischen N≥2 nacheinander folgenden Winkelinkrementen.
Die zweite QEP-Auswerteeinheit, also 320-2, ist mit einer Taktfrequenz so eingerichtet, dass diese einen Datenstrom mit den zeitlichen Abstand zwischen jeweils zwei direkt aufeinander folgenden Winkelinkrementen erzeugt, also den zeitlichen Abstand zwischen zwei Signalflanken der Spuren A und B signalisiert. Die zweite QEP-Auswerteeinheit 320-2 überträgt somit die ermittelten Winkelinkrementinformationen in kürzeren zeitlichen Abständen an die Steuerung als die erste QEP-Auswerteeinheit 320-1. Alternativ dazu können die QEP-Auswerteeinheiten jeweils die zeitlichen Abstände zweier unterschiedlicher Anzahlen von Inkrementen signalisieren, wobei die Anzahlen N jeweils größer als 2 sein können.
Während des Betriebs der Changiereinheit ermittelt die Steuerung 330 die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit ω gemäß einer der oben beschriebenen Gleichungen. Weiterhin ermittelt die Steuerung 330 die Position des Fadenführers 120 wie oben beschrieben aus der Anzahl der überstrichenen Winkelinkremente mit Bezug auf eine Referenzposition. Dabei werden für die Berechnung dieser Werte die Winkelinkrementinformationen der ersten QEP-Auswerteeinheit 320-1 zugrunde gelegt, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171 des Motors 170 einen Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit überschreitet. Hierzu werden die Datenströme der QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320.2 einem Datenstromkoppler 350 innerhalb der Steuerung 330 zugeführt, welcher die Datenströme der beiden QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 in Abhängigkeit von dem Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit selektiert und einen der Datenströme zur Regelung des Motors freigibt. Die Steuerung 330 verarbeitet den Datenstrom der ersten QEP-Auswerteeinheit 320-1 also nur dann, wenn die von der ersten QEP-Auswerteeinheit 320-1 übertragenen Signale einen ersten vorbestimmten Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit überschreiten, der Fadenführer 120 also mit relativ hoher Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171 bewegt wird. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass für die Verarbeitung dieser Werte ausreichend Zeit verbleibt, bevor der nächste Wert zur Verarbeitung ansteht. Zum anderen ist der relative Fehler für Zeitabstände, die über mehrere Winkelinkremente ermittelt werden, kleiner als für Zeitabstände, die über ein einzelnes bzw. wenige Winkelinkremente ermittelt werden. Die von der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 bereitgestellte Datenstrom wird während der Zeit, in der der Datenstrom der ersten QEP-Auswerteeinheit 320-1 verarbeitet wird, ignoriert. Dieser Zustand liegt im Wesentlichen im linearen Bewegungsbereich des Fadenführers 120 zwischen den Umkehrpunkten. In diesem Bereich wird der Fadenführer 120 durch den Motor 170 mit gleichmäßig hoher Führungsgeschwindigkeit geführt, so dass die Antriebswelle 171 mit relativ hoher Winkelgeschwindigkeit rotiert.
Obwohl moderne Schritt- oder Servomotoren sehr schnell auf Steuersignale reagieren, benötigt der Motor für einen Richtungswechsel, ein sog. Reversiervorgang, am Ende der Changierbewegung, wenn also der Fadenführer ein Ende seiner Laufstrecke erreicht, die Bewegungsrichtung wechselt und anschließend in die entgegengesetzte Richtung läuft, eine endliche Zeit.
Dementsprechend steuert die Steuerung 330 den Motor 170 am Ende der Changierbewegung so, dass die Drehgeschwindigkeit des Motors 170 bis zur Drehrichtungsumkehr verringert wird. Der Fadenführer 120 wird dementsprechend am Ende des Changierhubs abgebremst und anschließend in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dementsprechend werden während des Verringerns der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171 die zeitlichen Abstände zwischen den Datenlieferungen der QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 größer. In dieser Phase prüft der Datenstromkoppler 350 die von der QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 ausgelesenen/abgetasteten Datenströme, ob diese einen vorgegebenen Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit über- oder unterschreiten. Gegebenenfalls, d.h. wenn die Ereigniszeit eine Schwellwertzeit überschreitet, so liest die Steuerung fortan den höher aufgelösten Datenstrom der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 aus und verarbeitet diesen. Zwar weisen diese Winkelinkrementinformationen einen größeren relativen Fehler auf, jedoch ist die Aktualisierungsrate größer, da die zweite QEP-Auswerteeinheit 320-2 höher aufgelöste Signale bereitstellt. Mit weiter abnehmender Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle werden die Werte der Ereigniszeiten größer und der relative Fehler nimmt damit ab. In der Phase relativer geringer Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle 171, die in den Umkehrbereichen des Fadenführers 120 an den Changierhubenden auftreten, wird somit der Datenstrom der Winkelinformation der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 von dem Datenstromkoppler 360 für die Steuerung des Motors 170 freigegeben.
Nachdem die Drehrichtung der Antriebswelle 171 umgekehrt wurde, also auch der Fadenführer 120 in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird, steuert die Steuerung 300 den Motor 170 so an, dass dieser seine Drehbewegung möglichst schnell wieder bis zu einem Maximalwert beschleunigt. Entsprechend werden die von den QEP-Auswerteeinheiten 320-1 und 320-2 signalisierten Zeitabstände sowie die zeitlichen Abstände der Signalisierung selbst kleiner. Dabei ignoriert die Steuerung den Datenstrom der ersten QEP-Auswerteeinheit 320-1, sondern verarbeitet den von der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 gelieferten Datenstrom, solange die von der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 gelieferten Signale einen zweiten vorbestimmten Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit nicht überschreiten. Sobald der Datenstromkoppler 350 der Steuerung 300 diese Überschreitung feststellt, wird der Datenstrom der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 ingnoriert und nur der von der ersten QEP-Auswerteeinheit 302-1 bereitgestellte Datenstrom wird zur Steuerung des Motors 170 genutzt.
Auf diese Weise verarbeitet die Steuerung der Changiereinheit nur die Datenströme der ersten QEP-Auswerteeinheit 302-1 dann, wenn die Antriebswelle 171 des Motors 170 schnell dreht. Erkennt der Datenstromkoppler 350 der Steuerung 330 jedoch, dass der Motor 170 mit niedriger Winkelgeschwindigkeit dreht, die zeitlichen Abstände zwischen Inkrementen also groß sind, so verarbeitet die Steuerung 330 die Datenströme der zweiten QEP-Auswerteeinheit 302-1, welche die Winkelinkremente in kleineren Zeitabständen bereitstellt.
Der erste vorbestimmte Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit kann dabei gleich dem zweiten vorbestimmten Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit sein. Alternativ dazu können die beiden Schwellwerte ungleich groß sein. Insbesondere kann der erste vorbestimmte Schwellwert kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellwert sein, sodass eine Hysteresekurve durchlaufen wird.
Die Auswertung der von der zweiten QEP-Auswerteeinheit 320-2 bereitgestellten Datenströme, also der zeitlich feiner abgestuften Signale, bewirkt, dass rund um den Reversierpunkt des Fadenführers 120, wenn also der Motor die Drehrichtung wechselt, feiner abgestufte Signale mit höherer Aktualisierungsrate zur Auswertung durch die Steuerung bereitgestellt werden. Demgegenüber werden bei hoher Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 171 des Motors 170 grober aufgelöste Datenströme von Winkelinkrementinformationen verarbeitet, sodass damit sichergestellt ist, dass für die Verarbeitung aller zur Verarbeitung vorgesehenen Signale auch ausreichend Zeit bzw. Rechenleistung zur Verfügung steht und Signale mit kleinem relativen Fehler verarbeitet werden.
Die beschriebene Changiereinheit sowie das Verfahren zur Steuerung der Changiereinheit ermöglichen damit eine exaktere Steuerung des Fadenführers, die eine genauere Ablage des Fadens auf der Spule ermöglicht.

Claims

Changiereinheit zum Führen eines Fadens mittels eines Fadenführers (120) umfassend einen Motor (170) mit einer Antriebswelle (171) zum Antrieb des Fadenführers (120), eine mit dem Motor (170) gekoppelte Steuerung (330) und einen mit der Antriebswelle (171) des Motors (170) gekoppelten Inkrementalgeber (180), welcher mit der Steuerung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (330) eine erste QEP-Auswerteeinheit (320-1) zur Erzeugung eines ersten Datenstroms und eine zweite QEP-Auswerteeinheit (320-2) zur gleichzeitigen Erzeugung eines zweiten Datenstroms aufweist,
wobei die erste QEP-Auswerteeinheit (320-1) mit einer ersten Taktfrequenz für hohe Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle (171) programmiert ist und dass die zweite QEP-Auswerteeinheit (320-2) mit einer zweiten Taktfrequenz für niedrige Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle (171) programmiert ist, und wobei die Steuerung (330) einen Datenstromkoppler (350) aufweist, welcher mit den QEP-Auswerteeinheiten (320-1; 320-2) verbunden ist und welcher in Abhängigkeit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit einen der Datenströme der QEP-Auswerteeinheiten (320-1; 320-2) zur Regelung des Motors (170) freigibt.
Changiereinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Taktfrequenz der ersten QEP-Auswerteeinheit (320-1) zur Erzeugung eines Taktes für ein Intervall einer Anzahl von N, N größer 2, von Winkelinkrementen bestimmt ist und dass die zweite Taktfrequenz der zweiten QEP-Auswerteeinheit (320-1) zur Erzeugung eines Taktes für jedes separate Winkelinkrement bestimmt ist.
Changiereinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Signalaufbereitungseinheit (310) zwischen dem Inkrementalgeber (180) und den QEP-Auswerteeinheiten (320-1; 320-2) angeordnet ist, durch welche eine Dopplung eines Winkelinkrementalsignals des Inkrementalgebers (180) erzeugbar ist.
Changiereinheit nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Signalaufbereitungseinheit (310) zur Übertragung der gedoppelten Winkelinkrementalsignale einen Optokoppler (350) aufweist.
Changiereinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle (171) mittels eines Antriebsrads (140) einen Riemen (130) antreibt, der mit dem Fadenführer (120) gekoppelt ist.
Verfahren zur Steuerung einer Changiereinheit zum Führen eines Fadens mittels eines Fadenführers (120), wobei die Changiereinheit einen Motor (170) mit einer Antriebswelle (171) zum Antrieb des Fadenführers (120), einen Inkrementalgeber (180) zur Erfassung eines Winkelinkrements der Antriebswelle (171) und eine mit dem Motor (170) gekoppelte Steuerung (330) aufweist, mit dem Verfahrensschritt:
- Ermittlung von Winkelinkrementsignalen der von der Antriebswelle (171) überstrichenen Winkelinkremente gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- Erzeugung zweier separater Datenströme von Winkelinkrementinformationen aus den Winkelinkrementsignalen, wobei ein erster der Datenströme mit einer ersten QEP-Auswerteeinheit (320-1) der Steuerung (330) erzeugt wird und ein zweiter der Datenströme mit einer zweiten QEP-Auswerteeinheit (320-2) der Steuerung (330) erzeugt wird, und

- Ermittlung einer Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle (171) aus einer der Datenströme zur Steuerung des Motors (170),

- Erzeugen des ersten Datenstroms mit einer Taktfrequenz, mit welcher ein Takt für ein Intervall einer Anzahl von N, N größer 2, von Winkelinkrementen erfasst wird, und

- gleichzeitiges Erzeugen des zweiten Datenstroms mit einer Taktfrequenz, mit welcher ein Takt für jedes separate Winkelinkrement erfasst wird,
wobei bei Überschreiten einer vordefinierten Winkelgeschwindigkeit der Motor (170) basierend auf dem ersten Datenstrom und bei Unterschreiten der vordefinierten Winkelgeschwindigkeit der Motor (170) basierend auf dem zweiten Datenstrom gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Winkelinkrementsignale des Inkrementalgebers (180) vor der Erzeugung der Datenströme gedoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Winkelinkrementsignale des Inkrementalgebers (180) optoelektronisch mit einer galvanischen Stromkreistrennung übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle (171) des Motors (170) mittels eines Antriebsrades (140) einen Riemen (130) antreibt, der mit dem Fadenführer (120) gekoppelt ist.