[0001] Die Erfindung betrifft eine Nadelmaschine zum Vernadeln einer Faserbahn gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Nadelmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
[0002] Eine gattungsgemäße Nadelmaschine ist beispielsweise aus der
DE 197 30 532 A1 bekannt. Bei der bekannten Nadelmaschine sind die einzelnen Baugruppen zur Führung
einer Faserbahn und zum Vernadeln der Faserbahn in einem mehrteiligen Maschinengestell
angeordnet. Hierbei werden insbesondere beim Vernadeln der Faserbahn sehr hohe Prozesskräfte
über die Baugruppen in das Maschinengestell eingeleitet. So weist zumindest eine der
Baugruppen einen oszillierenden angetriebenen Nadelbalken auf, der an einer Unterseite
eine Vielzahl von Nadeln hält und mit hoher Geschwindigkeit oszillierend angetrieben
wird. Die Baugruppen werden bei der bekannten Nadelmaschine durch einen Oberträger
und einen Unterträger gehalten, die durch mehrere Stützträger zu einem Abstand angeordnet
sind. In dem zwischen dem Oberträger und dem Unterträger des Maschinengestells gebildeten
Freiraum ist eine Unterlage zur Führung und Aufnahme der zu vernadelnden Faserbahn
und ein mit der Unterlage zusammenwirkender Nadelbalken angeordnet, welcher über mehrere
Pleuelstangen mit einem Kurbelantrieb verbunden ist.
[0003] Bei der bekannten Nadelmaschine müssen insbesondere bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten
erhebliche Massen- und Prozesskräfte durch die Gestellteile des Maschinegestells aufgenommen
werden. Da diese Kräfte periodisch auftreten, werden die Maschinengestellteile zu
Rahmenschwingungen angeregt. Hierbei sind insbesondere die Anregungen des Maschinengestells
kritisch, die in den Bereich der Eigenfrequenzen des Maschinengestells liegen. Um
kritische Schwingungszustände zu vermeiden, werden üblicherweise die Maschinengestelle
sehr steif ausgefiihrt, so dass das Maschinengestell möglichst hohe Eigenfrequenzen
aufweist. Somit sind komplexe und aufwendige Maschinengestellkonstruktionen erforderlich,
um höhere Produktionsgeschwindigkeiten bei entsprechend hohen Betriebsdrehzahlen der
Antriebe zu erreichen.
[0004] Grundsätzlich ist es im Stand der Technik auch bekannt, die dynamischen Kräfte, die
üblicherweise periodisch mit der Einstichbewegung des Nadelbalkens auftreten, durch
mehrere den Kurbelantrieben zugeordneten Ausgleichsmassen auszugleichen. Eine derartige
Nadelmaschine ist beispielsweise aus der
DE 199 10 945 A1 bekannt. Hierbei sind an der Kurbelwelle Ausgleichsmassen befestigt, die den Exzenterbereichen
der Kurbelwelle gegenüber liegen. Diese Ausgleichsmassen wirken jedoch nur unmittelbar
als Massenausgleich an der Kurbelwelle. Damit lassen sich die an dem Nadelbalken auftretende
Einstichkräfte und Auszugskräfte nicht beeinflussen. Die periodisch mit der Einstichbewegung
auftretenden dynamischen Kräfte lassen sich daher durch Ausgleichsmassen nicht kompensieren.
Zudem ist es üblich, den Nadelbalken durch mehrere Triebwerke sowohl in vertikaler
Richtung als auch in horizontaler Richtung zu bewegen. Hieraus resultieren Massekräfte
auch in horizontaler Richtung. Zur Vermeidung von Resonanzerscheinungen in dem Maschinengestell
sind daher entsprechend schwere und große Maschinengestelle erforderlich, um die Baugruppen
zum Vernadeln einer Faserbahn auch bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten sicher
zu halten.
[0005] Desweiteren besteht bei einer zu hohen dynamischen Belastung des Maschinengestells
die Gefahr, dass zwischen den Maschinengestellen Durchbiegungen eintreten, die sich
unmittelbar in unterschiedliche Einstichtiefen der Nadeln über der gesamten Arbeitsbreite
der Faserbahn auswirkt. Auch derartige Durchbiegungen lassen sich nur durch Erhöhung
der Steifigkeit der Maschinengestelle vermeiden. So sind Stahlbleche im Bereich bis
zu 120 mm Stärke bekannt, um hohe Steifigkeiten zu erreichen. Derartige steife Maschinengestelle
haben jedoch insbesondere in den Verbindungsstellen den Nachteil, dass keine ausreichende
Dehnfähigkeit vorhanden ist, so dass durch die wechselnden Belastungen innerhalb des
Maschinegestells ein Lösen der Verschraubungen eintreten kann.
[0006] Es ist nun Aufgabe der Erfindung eine Nadelmaschine der gattungsgemäßen Art derart
weiterzubilden, dass gleichmäßige Vemadelungen an der Faserbahn auch bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten
und Arbeitsfrequenzen sicher möglich sind.
[0007] Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine gattungsgemäße Nadelmaschine möglichst
in einer Leichtbauweise bereitzustellen, bei welcher das Maschinengestell als Schwingungssystem
veränderbar ist.
[0008] Es ist auch Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Nadelmaschine
der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, mit welchem eine aktive Beeinflussung des
durch das Maschinengestell gebildete Schwingungssystem möglich ist.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Nadelmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Nadelmaschine gemäß
den Merkmalen nach Anspruch 12 gelöst.
[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen
der jeweiligen Unteransprüche definiert.
[0011] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das durch die Gestellteile des Maschinengestells
und den darin gehaltenen Baugruppen gebildete Schwingungssystem aktiv veränderbar
ist. Damit lassen sich insbesondere kritische Drehzahlbereiche und die damit verbundenen
kritischen Arbeitsfrequenzen ausführen, ohne dass es zu Resonanzerscheinungen kommt.
Um aktiv in das Schwingungssystem des Maschinengestells eingreifen zu können, ist
ein separater Schwingungsaktor vorgesehen, der auf eines der Gestellteile einwirkt,
um im Betrieb die Rahmenschwingungen der Gestellteile zu verändern. Durch den Schwingungsaktor
lassen sich Gegenanregungen in zumindest einem der Gestellteile einleiten, die der
Schwingungsanregung aus dem Betrieb der Baugruppen heraus entgegenwirkt. So können
Arbeitsfrequenzen im Bereich der Eigenfrequenz des Maschinengestells ohne Gefahr von
Resonanzerscheinungen durchfahren werden.
[0012] Da die kritischen Bereiche des Schwingungssystems von der Arbeitsfrequenz und der
damit verbundenen Schwingungsanregung in dem Maschinengestell abhängig sind, bietet
die Weiterbildung der Erfindung, bei welcher der Schwingungsaktor durch eine Steuereinrichtung
steuerbar ist und bei welcher die Steuereinrichtung mit einem Schwingungssensor gekoppelt
ist, welcher zur Erfassung der Rahmenschwingungen einem der Gestellteile zugeordnet
ist, den besonderen Vorteil, dass nur im Bedarfsfall eine aktive Veränderung des Schwingungssystems
des Maschinengestells durch den Schwingungsaktor eingeleitet wird. So lässt sich beispielsweise
kurz vor Erreichen einer Resonanzfrequenz der Schingungsaktor aktivieren, so dass
durch die Gegenanregung eine Anregung im Bereich der Eigenfrequenz des Maschinengestells
vermieden wird.
[0013] Besonders vorteilhaft ist hierbei der Einsatz eines Mikroprozessors innerhalb der
Steuereinrichtung, der die Messwerte der Rahmenschwingungen mit gespeicherten Eigenfrequenzen
der Gestellteile vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich entsprechende Steuerbefehle
generiert, um den Schwingungskator zu aktivieren oder zu deaktivieren. Somit lässt
sich der Schwingungsaktor in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz aktivieren und deaktivieren.
Als Messwerte der Rahmenschwingungen werden beispielsweise die Bewegungsgrößen wie
Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung gemessen, die bei idealem Verhalten eine
unterschiedliche Frequenzabhängigkeit zeigen. Bevorzugt wird die Beschleunigung direkt
oder indirekt durch eine Kraftmessung erfasst. Somit lässt sich der zeitliche Verlauf
der Rahmenschwingungen bestimmen, um gezielt Kräfte zur Unterdrückung der Schwingungen
einzuleiten.
[0014] Als Schwingungsaktoren können alle bekannten Mittel verwendet werden, die einen steuerbaren
Aktor aufweisen und die durch Aktivierung des Aktors eine Verstimmung des durch das
Maschinengestell gebildeten Schwingungssystems ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Schwingungsaktor durch zumindest einen
Kraftgeber gebildet, der innerhalb eines der Gestellteile oder zwischen mehreren Gestellteilen
angeordnet ist, um eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft zu erzeugen. Hierbei kann
der Kraftgeber sowohl dynamisch als auch statisch eingesetzt werden, um das Schwingungssystem
zu beeinflussen. Bei dynamischer Betriebsweise wird über den Kraftgeber abwechselnd
eine Druck- und eine Zugkraft erzeugt, so dass innerhalb des Gestellteiles eine Gegenanregung
erzeugt wird. Bei einer statischen Betriebsweise wird entweder eine Zug- oder eine
Druckkraft erzeugt, um innerhalb eines der Gestellteile oder zwischen mehreren Gestellteilen
eine Verspannung zu erzeugen. Damit lässt sich die Steifigkeit des Maschinengestells
beeinflussen, um die Eigenfrequenz zu verändern. Insoweit sind Kraftgeber als Schwingungsaktoren
besonders flexibel einsetzbar. Als Kraftgeber können hierbei je nach Betriebsweise
Piezoaktoren (Piezo-Stacks) oder hydraulische und pneumatische Kolbenzylindereinheiten
eingesetzt werden.
[0015] Um möglichst den zeitlichen Verlauf der dynamischen Kräfte im Betrieb der Nadelmaschine
bei der Erzeugung der Gegenanregung zu berücksichtigen, ist die Weiterbildung der
Erfindung besonders vorteilhaft, bei welcher der Schwingungsaktor durch zumindest
einen Massenschwinger gebildet ist. Der Massenschwinger greift hierbei an einer der
Gestellteile an, um eine auf die Gestellteile einwirkende Schwingungsanregung zu erzeugen.
Durch Dimensionierung der Gegenmasse können durch den Massenschwinger periodisch auftretende
Gegenkräfte erzeugt werden und unmittelbar in das Maschinengestell eingeleitet werden.
[0016] Um die Frequenz der Gegenanregung den Anforderungen bzw. den Betriebsbedingungen
anpassen zu können, ist die Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, bei welcher der
Massenschwinger eine bewegliche Gegenmasse und einen auf die Gegenmasse einwirkendes
Antriebsmittel aufweist, wobei das Antriebsmittel die Gegenmasse oszillierend in einer
Hin- und Herbewegung antreibt. Damit lässt sich die Bewegung der Gegenmasse sowohl
in Frequenz als auch in ihrer Amplitude den jeweiligen Betriebsbedingungen anpassen.
[0017] Es ist jedoch auch möglich, den Massenschwinger mit einer passiv geführten Gegenmasse
auszubilden. In diesem Fall wird die beweglich Gegenmasse über eine Feder gegenüber
dem Gestellteil abgestützt. Die Gegenanregung durch die Bewegung der Gegenmasse wird
hierbei unmittelbar durch die Rahmenschwingungen der Gestellteile erzeugt. Um einerseits
die durch den Massenschwinger veränderte Resonanzfrequenz bei der Anregung zu vermeiden
und andererseits nur eine bedarfsgerechte Schwingungsbekämpfung ausführen zu können,
ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Masseschwinger mit einem auf die Gegenmasse
einwirkenden Blockiermittel ausgeführt. Somit lässt sich die Bewegung der Gegenmasse
durch Ansteuerung des Blockiermittels wahlweise blockieren.
[0018] Die Wirksamkeit der Gegenanregung durch den Schwingungsaktor zur Vermeidung von Resonanzerscheinungen
ist besonders wirksam für den Fall, dass der Schwingungsaktor an dem Gestellteil angeordnet
ist, an welchem die Baugruppe mit dem Nadelbalken gehalten ist. Somit wird unmittelbar
jedem Gestellteil, an welchem die Anregung aus der Baugruppe heraus erfolgt, die Gegenanregung
erzeugt.
[0019] Zum Führen und Halten der Baugruppen innerhalb der Nadelmaschine werden die Gestellteile
des Maschinengestells vorzugsweise zu einem Maschinenrahmen zusammengestellt. So werden
die Gestellteile vorzugsweise durch einen Unterträger, einen Oberträger und mehreren
Stützträgern gebildet, wobei die Stützträger den Oberträger mit einem Abstand oberhalb
der Unterträger halten und an zwei gegenüberliegenden Stützenden des Oberträgers angeordnet
sind.
[0020] Um eine möglichst weitgehende Schwingungsisolierung gegenüber dem Aufstellungsort
der Nadelmaschine zu erhalten, wird bevorzugt an einer Unterseite der Unterträger
mehrere elastische Stützmittel angeordnet, durch welche das Maschinengestell gegenüber
einem Hallenboden gehalten ist. Somit bleiben die Rahmenschwingungen der Gestellteile
im Wesentlichen isoliert von dem Hallenboden innerhalb der Nadelmaschine.
[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer derartigen Nadelmaschine ist besonders
vorteilhaft, um kritische Betriebszustände innerhalb der Nadelmaschine sicher zu beherrschen.
So lassen sich durch den Schwingungsaktor definierte Schwingungsanregungen erzeugen,
die den durch die Arbeitsfrequenzen bedingten Rahmenschwingungen der Maschinengestelle
entgegenwirkt.
[0022] Um eine in Abhängigkeit von den Arbeitsfrequenzen steuerbaren Eingriff in das Schwingungssystem
zu ermöglichen, werden die Rahmenschwingungen zumindest an einem der Gestellteile
gemessen, so dass in Abhängigkeit von den jeweiligen Messwerten der Rahmenschwingungen
der Schwingungsaktor gesteuert wird. So wird bevorzugt die Beschleunigung der Rahmenschwingungen
mittels Beschleunigungssensoren gemessen. Damit lässt sich der zeitliche Verlauf der
Rahmenschwingungen sowie kritische Frequenzen der Schwingungen bestimmen.
[0023] Diese Verfahrensvariante lässt sich dadurch noch verbessern, indem eine Frequenz
der Rahmenschwingungen mit zumindest einer Eigenfrequenz der Gestellteile verglichen
wird und dass in Abhängigkeit von einem Differenzwert zwischen der Frequenz der Rahmenschwingungen
und der Eigenfrequenz der Gestellteile der Schwingungsaktor gesteuert wird. Damit
können gezielt Resonanzerscheinungen in dem Maschinengestell vermieden werden. Kritische
Drehzahlbereiche beim Führen des Nadelbalkens lassen sich somit ohne Resonanzerscheinung
durchfahren.
[0024] Je nach Anwendungsfall lässt sich das Schwingungssystem des Maschinengestells beeinflussen.
So kann der Schwingungsaktor als ein Kraftgeber innerhalb eines der Gestellteile oder
zwischen mehreren Gestellteilen eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft erzeugen.
[0025] Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Schwingungsaktor als ein
Massenschwinger an einem der Gestellteile eine auf die Gestellteile einwirkende Schwingungsanregung
erzeugt.
[0026] Die Schwingungsanregung lässt sich hierbei sowohl durch eine aktiv geführte Gegenmasse
des Massenschwingers als auch durch eine passiv geführte Masse des Massenschwingers
erzeugen.
[0027] Die Erfindung kann prinzipiell für alle Nadelmaschinen eingesetzt werden. Besonders
große Vorteile ergeben sich bei breiten Maschinen, hohen Hubfrequenzen und ungünstigen
Prozessparametern, die zu hochfrequenten Nadeleinstichkräften führen. Dabei lassen
sich relativ leichte und steifungsarme Maschinengestelle realisieren, die durch die
aktive Beeinflussung des Schwingungssystems auch für höhere Produktionsgeschwindigkeiten
geeignet sind.
[0028] Die erfindungsgemäße Nadelmaschine sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben
einer derartigen Nadelmaschine werden nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele
unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es stellen dar:
[0029]
- Fig. 1
- schematisch eine Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Nadelmaschine
- Fig. 2
- schematisch eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1
- Fig. 3
- schematisch eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Nadelmaschine
- Fig. 4
- schematisch eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Nadelmaschine
- Fig. 5
- schematisch eine Draufsicht eines Maschinengestellteils mit mehreren als Schwingungsaktor
wirkenden Kraftgebern
[0030] In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Nadelmaschine
in mehreren Ansichten gezeigt. In Fig. 1 ist die Nadelmaschine in einer Vorderansicht
und in Fig. 2 in einer Seitenansicht dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung gilt
für beide Figuren, insoweit kein ausdrücklicher Bezug zu einer der Figuren gemacht
ist.
[0031] Die Nadelmaschine weist ein Maschinengestell 1 auf, das rahmenförmig ausgebildet
ist, um mehrere Baugruppen zur Führung und zur Vernadelung einer Faserbahn aufzunehmen.
Das Maschinengestell 1 ist hierzu aus mehreren Gestellteilen gebildet. Das im oberen
Bereich der Nadelmaschine angeordnete Gestellteil wird durch einen Oberträger 2 gebildet,
der sich zwischen zwei Stützenden balkenförmig erstreckt (Fig. 1). Unterhalb des Oberträgers
2 ist im Abstand ein weiteres Gestellteil vorgesehen, das als ein parallel ausgerichteter
Unterträger 3 die Unterseite er Nadelmaschine bildet. Der Unterträger 3 erstreckt
sich parallel zum Oberträger 2. Zwischen dem Oberträger 2 und dem Unterträger 3 sind
weitere Gestellteile als Stützträger 4.1 und 4.2 angeordnet. Der Oberträger 2, der
Unterträger 3 und die Stützträger 4.1 und 4.2 bilden zusammen das rahmenförmige Maschinengestell
1.
[0032] In dem Maschinengestell 1 sind mehrere Baugruppen und Antriebe integriert, um eine
Faserbahn zu vernadeln. Als Beispiel ist eine Baugruppe 5.2 gezeigt, die eine Bettplatte
9 aufweist, die über einen Halter 10 an dem Unterträger 3 gehalten ist. Die Bettplatte
9 dient zur Aufnahme einer Faserbahn, die über Zuführmittel (hier nicht dargestellt)
kontinuierlich der Bettplatte 9 zugeführt wird. Eine der Bettplatte 9 zugeordnete
Fördereinrichtung wird ebenfalls durch das Maschinengestell 1 gehalten. Als weiteres
Beispiel ist die Baugruppe 5.1 gezeigt, die einen der Bettplatte 9 zugeordneten Nadelbalken
6 aufweist. Der Nadelbalken 6 erstreckt sich über die gesamte Arbeitsbreite einer
Faserbahn. Der Nadelbalken 6 ist über mehrere Pleuelstangen 11 mit zumindest einem
Kurbelantrieb 7 verbunden und wird über den Oberträger 2 gehalten. An der Unterseite
des Nadelbalkens 6 ist ein Nadelbrett mit einer Vielzahl von Nadeln befestigt (hier
nicht dargestellt), so dass bei einer oszillierenden Auf- und Abwärtsbewegung des
Nadelbalkens 6 die Nadeln das Faservlies auf der Bettplatte 9 durchdringen. Der Nadelbalken
6 ist in diesem Beispiel als Doppelbalken gezeigt, wobei derartige Doppelbalken üblicherweise
von einem Balkenträger gehalten sind.
[0033] Bei hohen Prozessgeschwindigkeiten werden insbesondere durch den Antrieb und die
Bewegung des Nadelbalkens 6 hohe dynamische Massenkräfte und Prozesskräfte erzeugt,
die zu einer periodischen Anregung des Maschinengestells 1 führt. Die beim Vernadeln
einer Faserbahn auftretenden dynamischen Kräfte bewirken somit Rahmenschwingungen
in beiden Gestellteilen 2 und 3.
[0034] Um das Schwingungssystem des Maschinengestells 1 zu verändern, ist dem Maschinengestell
1 ein Schwingungsaktor 12 zugeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Schwingungsaktor
12 durch mehrere Kraftgeber 13.1 bis 13.4 gebildet. Die Kraftgeber 13.1 bis 13.4 sind
den Stützträgern 4.1 und 4.2 zugeordnet.
[0035] Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Kraftgeber 13.1 bis 13.4 mit einer Steuereinrichtung
17 verbunden. Der Steuereinrichtung 17 ist ein Schwingungssensor 19 zugeordnet, der
an dem Oberträger 2 des Maschinengestells 1 angeordnet ist. Der Schwingungssensor
19, beispielsweise ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer wird bevorzugt im
mittleren Bereich der Maschine angeordnet, wo die Schwungsamplitude am größten sind.
Die Steuereinrichtung 17 weist einen Mikroprozessor 18 auf, durch welchen eine Messwertauswertung
sowie die Generierung von Steuerbefehlen und Ausgangssignalen zur Aktivierung oder
Deaktivierung der Kraftgeber 13.1 bis 13.4 erfolgt.
[0036] Wie aus den Darstellungen in den Figuren 1 und 2 hervorgeht, sind die Stützträger
4.1 und 4.2 zweiteilig ausgebildet, wobei die Teile der Stützträger 4.1 und 4.2 jeweils
den Stützenden der Gestellteile 2 und 3 zugeordnet sind. Jedem der Gestellteile der
Stützträger 4.1 und 4.2 ist jeweils einer der Kraftgeber 13.1 bis 13.4 zugeordnet.
So sind insgesamt vier Kraftgeber vorgesehen, um eine symmetrische Zug- und Druckbelastung
in den Stützträgern 4.1 und 4.2 einzuleiten, deren Kräfte unmittelbar in den Oberträger
2 und Unterträger 3 eingeleitet werden. So sind die Kraftgeber 13.1 und 13.3 dem Stützträger
4.1 und die Kraftgeber 13.2 und 13.4 dem Stützträger 4.2 zugeordnet. In den Fig. 1
und 2 ist der Kraftgeber 13.4 jedoch nicht gezeigt.
[0037] Das Maschinengestell 1 ist gegenüber einem Hallenboden durch mehrere Stützmittel
23 abgestützt. Die Stützmittel 23 sind elastisch als Schwingungsdämpfer ausgebildet
und an der Unterseite des Unterträgers 3 angeordnet.
[0038] Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird im Betrieb beim Vernadeln
einer Faserbahn der Nadelbalken 6 durch die Kurbelantriebe 7 in einer oszillierenden
Auf- und Abwärtsbewegung geführt. Hierbei erfolgt eine Anregung der Rahmenschwingungen
durch nicht ausgeglichene Massenkräfte höherer Ordnung sowie durch die Nadeleinstichkräfte.
Insbesondere die Nadeleinstichkräfte wirken gegengleich auf den Oberträger 2 und den
Unterträger 3. Parallel wirken zwischen dem Oberträger 2 und dem Unterträger 3 die
Kraftgeber 13.1 bis 13.4. Über die Kraftgeber 13.1 bis 13.4 werden nun entgegengesetzt
gleiche Kräfte auf den Oberträger 2 und den Unterträger 3 eingeleitet. Die Größe der
durch die Kraftgeber erzeugten Gegenkraft und der zeitliche Verlauf des Auftretens
der Gegenkraft können so gewählt werden, dass sie gemeinsam mit den Nadeleinstichkräften
des Nadelbalkens eine konstante Streckenlast am Oberträger 2 einleiten. Die an dem
Oberträger 2 wirkenden Nadeleinstichkräfte führen somit nicht mehr zu einer Verbiegung,
sondern die Auf- und Abwärtsbewegung des Nadelbalkens wird als Starrkörper aufgenommen,
so dass eine Anregung es Oberträgers 2 in seiner Resonanzfrequenz ausgeschlossen ist.
Die in den Unterträgem 3 über die Kraftgeber 13.1 bis 13.2 eingeleiteten Kräfte führen
ebenfalls zu einer Schwingungsanregung, die jedoch unmittelbar von den Stützelementen
23 aufgenommen wird. Aufgrund der vergleichsweise großen Massen der Gestellteile 2
und 3 treten nur geringe Bewegungsamplituden auf, wobei die auftretende Bewegung jedoch
über die gesamte Maschinenbreite gleichgroß ist.
[0039] Für den Fall, dass der Schwingungssensor 19 die Rahmenschwingungen des Oberträgers
2 und damit die Arbeitsfrequenz des Nadelbalkens 6 erfasst, kann ein Regelkreis aufgebaut
werden, der für beliebige Anregungen die Rahmenschwingungen des Maschinengestells
1 unterdrücken kann. Somit lässt sich über die Kraftgeber 13.1 bis 13.4 die Zug-/Druckkraft
in ihrem zeitlichen Auftreten und in ihrer Größe verändern.
[0040] Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Nadelmaschine
lässt sich jedoch alternativ auch derart betreiben, dass über die Kraftgeber 13.1
bis 13.4 eine konstante Druck- oder Zugkraft eingeleitet wird, so dass der Oberträger
2 und der Unterträger 3 gegeneinander verspannt werden. Hierbei versteht sich, dass
die Stützträger zwischen Ober- und Unterträger miteinander verbunden sind, so dass
auch größere Aktorkräfte erzeugbar sind. Durch die Kraftgeber 13.1 bis 13.4 lässt
sich in dem Maschinengestell eine hohe Druckeigenspannung erzeugen. Somit lassen sich
die durch die Massen- und Prozesskräfte an dem Maschinengestell 1 insbesondere in
der Verbindungsstelle zwischen dem Oberträger 2 und dem Stützträger 4.1 wirkenden
Zugspannungen entgegenwirken, so dass im Betriebszustand eine schwellende Belastung
im Bereich der Druckspannung vorherrscht. Damit lassen sich die Festigkeiten der Werkstoffe
des Maschinenrahmens optimal ausnutzen. Zugbelastungen in den Verbindungsstellen innerhalb
des Maschinenrahmens werden vermieden, was eine erhebliche Lebensdauerverlängerung
zur Folge hat. Zusätzlich wird durch Erzeugung von Zug- und Druckspannungen die Steifigkeit
des Maschinengestells 1 beeinflusst, als dass Maschinengestell insgesamt eine höhere
Eigenfrequenz aufweist. Damit können ebenfalls vorteilhafte Resonanzerscheinungen
beim Betrieb der Nadelmaschine vermieden werden.
[0041] In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Nadelmaschine
schematisch in einer Vorderansicht dargestellt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.
3 ist im Wesentlichen identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2, so dass
zu der vorgenannten Beschreibung Bezug genommen wird und an dieser Stelle nur die
Unterschiede erläutert werden.
[0042] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Nadelmaschine ist als Schwingungsaktor
12 ein Massenschwinger 14 vorgesehen. Der Massenschwinger 14 ist an einer Oberseite
des Oberträgers 2 angeordnet. Der Massenschwinger 14 wird in diesem Ausführungsbeispiel
durch eine bewegliche Gegenmasse 15 und ein der Gegenmasse 15 zugeordneten Antriebsmittel
16 gebildet. Hierbei wird die Gegenmasse 15 durch das Antriebsmittel 16 oszillierend
in vertikaler Richtung hin- und hergeführt. Als Antriebsmittel 16 können zum Beispiel
Hydraulikzylinder, elektrische Linearantriebe oder Piezostacks verwendet werden.
[0043] Das Antriebsmittel 16 ist mit einer Steuereinrichtung 17 verbunden. Die Steuereinrichtung
17 ist mit einem Schwingungssensor 19 gekoppelt, der an dem Oberträger 2 angeordnet
ist. Innerhalb der Steuereinrichtung 17 ist zur Messwertauswertung ein Mikroprozessor
18 vorgesehen.
[0044] Das Antriebsmittel 16 wird über die Steuereinrichtung 17 aktiviert und führt die
Gegenmassen 15 in einer oszillierenden Auf- und Abwärtsbewegung. Dabei wird eine Gegenkraft
erzeugt, die unmittelbar in den Oberträger 2 des Maschinengestells 1 eingeleitet wird.
Die Größe der Gegenmasse 15 sowie die Antriebsfrequenz und die Antriebsamplitude der
Gegenmasse 15 werden derart gewählt, dass eine angemessene Gegenkraft zu den an dem
Oberträger 2 wirkenden periodischen Nadeleinstichkräfte und Massenkräfte entgegenwirkt
und somit insbesondere eine Anregung im Bereich der Eigenfrequenz des Oberträgers
2 verhindert wird. Um eine auf die Anregung des Oberträgers 2 abgestimmte Gegenanregung
durch den Massenschwinger 14 zu erhalten, wird die Rahmenschwingung an dem Oberträger
2 durch den Sensor 19 insbesondere die Beschleunigung der Schwingung gemessen und
der Steuereinrichtung 17 zugeführt. Innerhalb der Steuereinrichtung 17 wird über den
Mikroprozessor 18 eine Messwertauswertung insbesondere eine Frequenzermittlung und
Vergleich mit hinterlegten Eigenfrequenzen durchgeführt, so dass eine Aktivierung
oder Deaktivierung des Antriebsmittels 16 zur Erzeugung einer Gegenanregung erfolgen
kann. Durch den Schwingungssensor 19 lässt sich neben der Beschleunigung auch der
zeitliche Verlauf der Rahmenschwingung erfassen, so dass an dem Antriebsmittel 16
Einstellungen der Frequenz und der Amplitude zur Bewegung der Gegenmasse 15 möglich
ist. Damit lassen sich beliebige Anregungen aus der Baugruppe 5.1 in das Maschinengestell
1 unterdrücken.
[0045] An dieser Stelle sei ausdrücklich erwähnt, dass jedes der vorher gezeigten Ausführungsbeispiele
oder nachfolgenden Ausführungsbeispiele gleichzeitig mehrere Schwingungsaktoren aufweisen
können. So lässt sich das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel auch mit mehrere
parallel angeordneten Massenschwingern ausführen. Damit können bei relativ kleinen
Gegenmassen durch die Mehrzahl der Massenschwinger relativ große Gegenkräfte erzeugt
werden. Die Schwingungsaktoren bzw. die Massenschwinger würden dabei vorteilhaft synchron
gesteuert.
[0046] In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Nadelmaschine
schematisch in einer Vorderansicht dargestellt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.
4 ist im Wesentlichen identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2, so dass
zu der vorgenannten Beschreibung Bezug genommen wird und an dieser Stelle nur die
Unterschiede erläutert werden.
[0047] Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Nadelmaschine ist als Schwingungsaktor
12 ebenfalls ein Massenschwinger 14 vorgesehen, der jedoch eine passiv geführte Gegenmasse
aufweist. Der Massenschwinger 14 ist an der Oberseite des Oberträgers 2 angeordnet.
Der Massenschwinger 14 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Führungsblock 21 auf,
in welchem eine bewegliche Gegenmasse 15 vertikal geführt ist. Der Gegenmasse 15 ist
eine Feder 20 zugeordnet, durch welche sich die Gegenmasse 15 gegenüber dem Führungsblock
16 und somit gegenüber dem Oberträger 2 abstützt. An dem Führungsblock 21 ist ein
Blockiermittel 22 gehalten, welches auf die bewegliche Gegenmasse 12 einwirkt. Das
Blockiermittel 22 ist über die Steuereinrichtung 17 steuerbar, wobei im aktivierten
Zustand das Blockiermittel 20 die Gegenmasse 15 in dem Führungsblock 21 fixiert. Im
deaktivierten Zustand des Blockiermittels 22 wird die Gegenmasse 15 in den Führungsblock
21 freigegeben.
[0048] Die Steuereinrichtung 17 ist mit einem Schwingungssensor 19 verbunden, der zur Messung
der Rahmenschwingungen an dem Oberträger 2, insbesondere am Ort der größten Schwingung,
angeordnet ist. Innerhalb der Steuereinrichtung 17 ist ein Mikroprozessor vorgesehen,
um eine Messwertauswertung durchzuführen. Hierbei können beispielsweise die Messwerte
mit vorgegebenen Eigenfrequenzen des Maschinengestells abgeglichen werden, um vor
Erreichen kritischer Betriebszustände den Massenschwinger 14 zu aktivieren. Hierbei
wird die Gegenmasse 15 über die Feder 20 am Oberträger 2 angekoppelt. Im Extremfall
lässt sich damit die über die Baugruppe 5.1 erzeugte Anregung an den Oberträger 2
durch die Gegenanregung des Massenschwingers 14 vollständig eliminieren, so dass der
Oberträger 2 keine Rahmenschwingungen ausführt. Die Amplitude der Gegenbewegung der
Gegenmasse 15 ist dabei so groß, dass die Federkraft der Feder 20 der anregenden aus
der Baugruppe 5.1 resultierenden dynamischen Kraft entspricht und die resultierende
Kraft auf den Oberträger 2 verschwindet. Die Bewegung der Gegenmasse 15 ist von Federkraft
sowie von den Rahmenschwingungen des Maschinengestells 1 abhängig und nicht aktiv
veränderbar.
[0049] Der Massenschwinger 14 wird hierbei in Abhängigkeit von der gemessenen Rahmenschwingung
bzw. der Arbeitsfrequenz durch Lösen der Blockierung der Gegenmasse aktiviert oder
durch Blockieren der Gegenmasse deaktiviert. Somit bleiben die durch das Gesamtsystem
bestehend aus Gestellteil 2 und Massenschwinger 14 resultierenden Eigenfrequenzen
ohne jegliche Auswirkung. Somit wird der Massenschwinger 14 nur in kritischen Betriebszuständen
aktiviert.
[0050] In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Gestellteiles des Maschinengestells an
der Nadelmaschine dargestellt, das vorteilhaft als Oberträger beispielsweise in dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einsetzbar wäre. Das in Fig. 5 dargestellte Gestellteil
2 ist schematisch in einer Draufsicht gezeigt.
[0051] Das Gestellteil 2 ist als Kastenprofil 24 ausgebildet, welches an den Längsseiten
der Maschine die Längsträger 25.1 und 25.2 aufweisen. In dem Kastenprofil 24 ist ein
Schwingungsaktor 12 integriert, der aus einer Mehrzahl von Kraftgebern besteht. Die
Kraftgeber 13.1 sind zu mehreren mit Abstand in dem Längsträger 25.1 integriert. Die
Kraftgeber 13.2 sind zu mehreren in dem gegenüberliegenden Längsträger 25.2 integriert.
Jeder der Kraftgeber 13.1 und 13.2 wird über eine Steuereinrichtung 17 angesteuert,
um Druck- oder Zugkräfte in dem jeweiligen Längsträger 25.1 und 25.2 einzubringen.
So lässt sich durch eine periodische Ansteuerung der Kraftgeber jeder der Längsträger
25.1 und 25.2 zu Gegenschwingungen anregen. Wird nun das Gestellteil 2 durch periodische
Massenkräfte und Nadeleinstichskräfte in seiner Eigenfrequenz angeregt, kann über
die Aktivierung der Kraftgeber 13.1 und 13.2 eine Gegenanregung aufgebracht werden.
Damit lassen sich Rahmenschwingungen im Resonanzbereich des Gestellteils 2 vermeiden.
[0052] Aufgrund der relativ geringen Bewegungsamplituden, die durch die Kraftgeber 13.1
und 13.2 in den Längsträgern 25.1 und 25.2 zur Erzeugung der Gegenanregung eingeleitet
werden, sind als Kraftgeber besonders Piezoelemente beispielsweise in Form von Piezostacks
geeignet. Hierbei werden diese vorzugsweise auf Druck vorgespannt, um periodisch Druckkräfte
zu erzeugen.
[0053] Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel lässt sich alternativ auch dazu nutzen,
um durch statische Druck- oder Zugkräfte eine Verspannung in dem Gestellteil 2 zur
Erhöhung der Steifigkeit zu erhalten. So lassen sich die Kraftgeber kurz vor Erreichen
eines kritischen Betriebszustandes über die Steuereinrichtung 17 aktivieren, um eine
Verspannung in dem Gestellteil 2 zu erzeugen. Damit erhöht sich die Steifigkeit des
Gestellteils 2, so dass gleichzeitig der Bereich der Resonanzfrequenz verschoben wird.
Der kritische Betriebszustand lässt sich so ohne größere Rahmenschwingungen in dem
Gestellteil 2 durchfahren.
[0054] Bei den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist zur aktiven Schwingungsbekämpfung
dem Maschinengestell 1 der Nadelmaschine beispielhaft ein Schwingungsaktor als Kraftgeber
oder als Massenschwinger zugeordnet. Grundsätzlich sind auch andere Schwingungsaktoren
einsetzbar, die in das Schwingungssystem des Maschinengestells steuerbar verändern
können. Zudem lassen sich auch vorteilhaft mehrere Schwingungsaktoren gleichzeitig
an einem oder an mehreren Gestellteilen des Maschinengestells anordnen. Hierbei werden
die Schwingungsaktoren vorzugsweise synchron betrieben.
[0055] Desweiteren ist die Anordnung der Baugruppen insbesondere der Baugruppe mit dem Nadelbalken
innerhalb des Maschinengestells beispielhaft. So lässt sich die Baugruppe 5.1 auch
vorteilhaft in einem Unterträger anordnen. Die dargestellten Schwingungsaktoren können
auch vorteilhaft bei Nadelmaschinen eingesetzt werden, bei denen sowohl am Oberträger
ein oszillierend angetriebener Nadelbalken als auch am Unterträger ein oszillierend
angetriebener zweiter Nadelbalken geführt wird.
[0056] Ebenso ist die Anordnung und Lage der Schwingungssensoren in den Ausführungsbeispielen
beispielhaft. Die Schwingungssensoren werden üblicherweise in Bereichen der Maschinen
angeordnet, in denen die Schwingungsamplituden am größten sind. In den gezeigten Ausführungsbeispielen
dürften diese Bereiche sich in der Mitte der Maschine befinden.
Bezugszeichenliste
[0057]
- 1
- Maschinengestell
- 2
- Oberträger
- 3
- Unterträger
- 4.1,4.2
- Stützträger
- 5.1, 5.2
- Baugruppe
- 6
- Nadelbalken
- 7
- Kurbelantrieb
- 8
- Abstreifplatte
- 9
- Bettplatte
- 10
- Halter
- 11
- Pleuelstange
- 12
- Schwingungsaktor
- 13.1, 13.2, 13.3
- Kraftgeber
- 14
- Massenschwinger
- 15
- Gegenmasse
- 16
- Antriebsmittel
- 17
- Steuereinrichtung
- 18
- Mikroprozessor
- 19
- Schwingungssensor
- 20
- Feder
- 21
- Führungsblock
- 22
- Blockiermittel
- 23
- Stützmittel
- 24
- Kastenprofil
- 25.1, 25.2
- Längsträger
1. Nadelmaschine zum Vernadeln einer Faserbahn mit einem aus mehreren Gestellteilen (2,
3, 4.1, 4.2) zusammengesetztes Maschinengestell (1) zur Aufnahme mehrerer Baugruppen
(5.1, 5.2), wobei eine der Baugruppen (5.1) zumindest einen oszillierend angetriebenen
Nadelbalken (6) aufweist und wobei die Gestellteile (2, 3, 4.1, 4.2) im Betrieb durch
die Baugruppe (5.1) zu Rahmenschwingungen anregbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein separater Schwingungsaktor (12) vorgesehen ist, der auf eines der Gestellteile
(2, 3, 4.1, 4.2) einwirkt, um im Betrieb die Rahmenschwingungen der Gestellteile (2,
3, 4.1, 4.2) zu verändern.
2. Nadelmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor (12) durch eine Steuereinrichtung (17) steuerbar ist und dass
die Steuereinrichtung (17) mit einem Schwingungssensor (19) gekoppelt ist, welcher
Schwingungssensor (19) zur Erfassung der Rahmenschwingungen einem der Gestellteile
(2, 3, 4.1, 4.2) zugeordnet ist.
3. Nadelmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (17) einen Mikroprozessor (18) aufweist, durch welchen Messwerte
der Rahmenschwingungen mit gespeicherten Eigenfrequenzen der Gestellteile (2, 3, 4.1,
4.2) vergleichbar sind und durch welchen Steuerbefehle generierbar sind.
4. Nadelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor (12) durch zumindest einen Kraftgeber (13.1) gebildet ist, der
innerhalb eines der Gestellteile (2, 3, 4.1, 4.2) oder zwischen mehreren Gestellteilen
(2, 3, 4.1, 4.2) angeordnet ist, um eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft zu erzeugen.
5. Nadelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor (12) durch zumindest einen Massenschwinger (14) gebildet ist,
der an einem der Gestellteile (2, 3, 4.1, 4.2) angeordnet ist, um eine auf die Gestellteile
(2, 3, 4.1, 4.2) einwirkende Schwingungsanregung zuzeugen.
6. Nadelmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenschwinger (14) eine bewegliche Gegenmasse (15) und einen auf die Gegenmasse
(15) einwirkendes Antriebsmittel (16) aufweist, welches Antriebsmittel (16) die Gegenmasse
(15) oszillierend in einer Hin- und Herbewegung antreibt.
7. Nadelmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenschwinger (14) eine bewegliche Gegenmasse (15) und eine Feder (20) aufweist,
welche Feder (20) die Gegenmasse (15) gegenüber dem Gestellteil (2) abstützt.
8. Nadelmaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Massenschwinger (14) ein auf die Gegenmasse (15) einwirkendes Blockiermittel (22)
aufweist, um die Bewegung der Gegenmasse (15) zu blockieren.
9. Nadelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor (12) an dem Gestellteil (2) angeordnet ist, an welchem die Baugruppe
(5.1) mit dem Nadelbalken (6) gehalten ist.
10. Nadelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gestellteile durch einen Unterträger (3), einen Oberträger (2) und mehreren Stützträgern
(4.1, 4.2) gebildet ist, wobei die Stützträger (4.1, 4.2) den Oberträger (29 mit einem
Abstand oberhalb des Unterträgers (3) halten und an zwei gegenüberliegenden Stützenden
des Oberträgers (2) angeordnet sind.
11. Nadelmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Unterträger (3) an einer Unterseite mehrere elastische Stützmittel (23) aufweist,
durch welche das Maschinengestell (1) gegenüber einem Hallenboden gehalten ist.
12. Verfahren zum Betreiben einer Nadelmaschine, bei welcher mehrere Baugruppen durch
mehrere Gestellteile eines Maschinengestells gehalten werden, bei welcher bei einer
der Baugruppen zumindest einen Nadelbalken oszillierend angetrieben wird und bei welcher
die Gestellteile durch die Baugruppe zu Rahmenschwingungen angeregt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein separater Schwingungsaktor an einem der Gestellteile angreift und dass
der aktive Schwingungsaktor eine Änderung der Rahmenschwingungen der Gestellteile
erzeugt.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rahmenschwingungen zumindest an einem der Gestellteile gemessen werden und dass
in Abhängigkeit von Messwerten der Rahmenschwingungen der Schwingungsaktor gesteuert
wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor als ein Kraftgeber innerhalb eines der Gestellteile oder zwischen
mehreren Gestellteilen eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft erzeugt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingungsaktor als ein Massenschwinger an einem der Gestellteile eine auf die
Gestellteile einwirkende Schwingungsanregung erzeugt.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Gegenmasse des Massenschwingers aktiv geführt wird, wobei eine Frequenz und eine
Amplitude der Bewegung der Gegenmasse eingestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Gegenmasse des Massenschwingers passiv geführt wird, wobei eine Frequenz und
eine Amplitude der Bewegung der Gegenmasse durch eine Feder bestimmt wird.