[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Nähmaschine und ein Verfahren zum Erfassen von
Bewegungen bei einer Nähmaschine gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8.
[0002] Nähmaschinen, Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen und dergleichen umfassen oft Sensoren,
mit denen sich z.B. Bewegungen des Nähguts oder des Stickrahmens erfassen lassen.
Durch Weiterverarbeitung der Signale solcher Sensoren können z.B. Steuersignale generiert
oder Anzeigen angesteuert werden.
Aus der
EP1321556 ist ein Verfahren zum Regeln des Stofftransportes bei einer Näh- oder Stickmaschine
bekannt, bei welchem ein Sensor zum Erfassen von Vorschubweiten des Nähguts im Bereich
der Stichplatte angeordnet ist. Der Sensor ist als CCD-Kamera ausgebildet und erfasst
in schneller Folge Bilder der Oberfläche des Nähguts. Anhand der Positions- bzw. Lageänderung
von Strukturmerkmalen der Nähgutoberfläche in aufeinander folgenden Bildern berechnet
eine Steuerung die Position und Lage des Nähguts bzw. Informationen über dessen Bewegung.
Werden Abweichungen der erfassten Messgrössen von vorgegebenen Sollgrössen festgestellt,
wird die Transportvorrichtung für das Nähgut in der Weise beeinflusst, dass solche
Abweichungen minimal sind.
Aus der
W02005056903 ist eine Vorrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Nadelbewegung bei einer Nähmaschine
bekannt. Sie umfasst eine Erfassungsvorrichtung mit einem Bildsensor, der mit hoher
Abtastrate einen Ausschnitt der Nähgutoberfläche von oben her erfasst. Beim Quilten
wird das Nähgut manuell verschoben. Die Erfassungsvorrichtung erfasst in schneller
Folge von etwa 1500 Bildern pro Sekunde einen im Bereich des Sensors und der Nähnadel
gelegenen Ausschnitt der Nähgutoberfläche. Anhand dieser Informationen werden die
Bewegungen des Nähguts ermittelt und der Nadelantrieb in der Weise gesteuert, dass
aufeinander folgende Nähstiche in gleichmässigen Abständen gebildet werden.
Trotz hoher Abtastrate können bei derartigen Systemen z.B. bei hohen Beschleunigungen
Fehler auftreten. Dies ist insbesondere dann störend, wenn ein zyklisches Nähmuster
gebildet werden soll, welches an ein- und derselben Stelle beginnt und endet. Im Weiteren
haben solche Systeme die Eigenheit, dass ein zweidimensionaler Oberflächenabschnitt
mit in der Regel geringer Schärfentiefe auf einen Bildsensor abgebildet wird. Objekte
können somit nur dann zuverlässig erfasst werden, wenn sie genügend gross sind und
innerhalb des jeweiligen Schärfentiefebereichs liegen.
[0003] Objektbewegungen können nur in einer Erfassungsebene, nicht jedoch vertikal dazu
erfasst werden.
[0004] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Erfassungsvorrichtung
und ein Verfahren zur Erfassung von Bewegungen bei Nähmaschinen zu schaffen, welche
eine zuverlässige und schnelle Bewegungserfassung selbst von kleinen Teilen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Erfassungsvorrichtung und das
Verfahren so auszubilden, dass Objektbewegungen in einer Ebene und/oder vertikal zu
dieser Ebene erfasst werden können.
[0005] Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Nähmaschine und durch ein Verfahren gemäss
den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Nähmaschine
und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
[0006] Das erfindungsgemässe Verfahren und die Näh-, Stick- oder Quiltmaschine mit der erfindungsgemässen
Erfassungsvorrichtung basieren auf der Überlegung, dass die Berechnung von Objektgeschwindigkeiten
oder von Positions- oder Lageänderungen von Objekten durch Auswerten zeitlich aufeinander
folgender Einzelbilder insbesondere dann an die Grenzen der technischen Machbarkeit
stossen, wenn die Objekte klein und/oder die Geschwindigkeiten oder die Beschleunigungen
gross sind oder wenn die Objektbewegungen nicht innerhalb einer vorgegebenen Erfassungsebene
erfolgen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren und bei der erfindungsgemässen Nähmaschine werden
Bewegungen direkt erfasst, d.h. ohne Umrechnung aus zeitlich nacheinander erfassten
Abbildungen der Objektoberfläche. Dabei erzeugt ein Laser einen kohärenten Lichtstrahl,
der mittels einer Optik bzw. mittels optischer Elemente in Richtung der zu erfassenden
Objektoberfläche gelenkt wird. Ein Teil des an der Objektoberfläche gestreuten Lichts
wird in Richtung des Lasers zurück reflektiert. Vorzugsweise ist die Optik so ausgebildet,
dass am Objekt gestreutes Licht gesammelt und zum Laser zurück gestrahlt wird. Dort
tritt zumindest ein Teil des gestreuten Lichts durch den teildurchlässigen Spiegel
wieder in den Resonator ein, wo es mit dem im Resonator erzeugten Licht interferiert.
Dadurch werden grundlegende Eigenschaften des Lasers und des vom Laser emittierten
Lichts verändert. Dieses Phänomen wird auch als "self-mixing effect" bezeichnet. Alternativ
kann auch ein anderer, vom Laser-Resonator unabhängiger Interferenz-Detektor verwendet
werden, wobei beispielsweise vom Laser erzeugtes Licht mittels teildurchlässiger Spiegel
ausgekoppelt und mit am Objekt gestreutem Licht ausserhalb des Resonators zur Interferenz
gebracht wird.
Bewegt sich die Objektoberfläche relativ zum Laser, ändert sich aufgrund des Doppler-Effekts
die Frequenz des gestreuten und in Richtung des Lasers reflektierten Lichts in Abhängigkeit
der Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Laserstrahls. Diese Frequenzänderung
liegt für realistischerweise zu erfassende Objektbewegungen in der Grössenordnung
von etwa einem Kiloherz bis einigen Megaherz und kann somit verzögerungsfrei mit herkömmlichen
elektronischen Mitteln einfach ausgewertet werden. Eine Frequenzverschiebung ist selbst
bei Objekten mit nahezu unstrukturierten glatten oder spiegelnden Oberflächen noch
messbar. Es genügen somit kleinste Inhomogenitäten und Streulichtanteile, um eine
messbare Frequenzänderung zu bewirken.
Parameter, welche aufgrund des Selbstkopplungseffektes des Lasers ändern können, sind
z.B. die Leistungsaufnahme oder der Junction-Widerstand, die Intensität des abgestrahlten
Laserlichts, die Frequenz und der Durchmesser des Laserstrahls oder die Schwellenverstärkung
des Lasers. Diese Parameterwerte ändern sich mit einer Frequenz, welche der Frequenzdifferenz
zwischen dem vom Laser erzeugten und dem in den Laser zurück gestreuten Laserlicht
entspricht. Diese Frequenzdifferenz wiederum ist proportional zur Geschwindigkeitskomponente
der Objektoberfläche in Richtung des Laser-Lichtstrahls. Es ist also möglich, durch
Erfassung und Auswertung der Fluktuationen eines oder mehrerer dieser Parameterwerte
die Geschwindigkeitskomponente der Objektoberfläche in der jeweiligen Richtung zu
bestimmen.
[0007] Falls (bei Bewegungen der Objektoberfläche entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn
oder bei eindimensionalen Objektbewegungen) die Beziehung zwischen der Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls und der Bewegungsrichtung der Objektoberfläche eindeutig und a priori
bekannt ist, kann aus der messtechnisch direkt oder indirekt erfassten Frequenzdifferenz
zwischen dem vom Laser ausgesendeten und dem vom Objekt gestreuten und wieder in den
Laser eingekoppelten Lichtstrahl die Geschwindigkeit der Objektoberfläche in der jeweiligen
Richtung berechnet werden. Durch Integration der Geschwindigkeitswerte können praktisch
verzögerungsfrei auch die jeweiligen Positionen oder Positionsänderungen des Objektes
bzw. der Objektoberfläche berechnet werden. Zur Erfassung von Bewegungen der Objektoberfläche
mit zwei oder mehreren Freiheitsgraden können in analoger Weise zwei oder mehrere
Sensoren mit Lasern als Lichtquellen und mit Detektoren zur Erfassung der jeweiligen
Parameterfluktuationen vorgesehen sein, wobei die Strahlungsrichtungen und/oder die
Positionen dieser LaserLichtquellen unterschiedlich sind.
Die
WO2005/076116 offenbart eine Anordnung mit zwei Laserdioden, welche vorzugsweise orthogonal zu
einander auf einem gemeinsamen ebenen Substrat angeordnet sind. Die beiden Laserstrahlen
werden entsprechend der Ausrichtung der jeweiligen Laserdioden von einer gemeinsam
genutzten Sammellinse derart schräg nach oben gebündelt, dass sie an der Oberseite
oder knapp oberhalb eines Erfassungsfensters nahe beieinander fokussiert sind. Eine
solche Anordnung kann bei Eingabegeräten - also beispielsweise bei Computermäusen
oder bei Eingabevorrichtungen für Computer, Mobiltelefone und dergleichen - zur Erfassung
von Bewegungen in einer Ebene genutzt werden. Die Linse oder ein anderes entsprechendes
optisches Sammelmittel ist so ausgebildet, dass der Laserstrahl einen in Strahlrichtung
ausgedehnten Fokalbereich hat, wobei der Strahl dort nicht auf den kleinstmöglichen
Durchmesser fokussiert wird, sondern über einen längeren Bereich einen annähernd konstanten
Strahldurchmesser aufweist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Prinzip der Erfassung von Bewegungen mittels
Selbstkopplung von Laserstrahlen in Verbindung mit dem Doppler-Effekt dazu genutzt,
Bewegungen und Positions- oder Lageänderungen bei Nähmaschinen, Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen
und dergleichen zu erfassen. Bewegliche Objekte können hier sowohl Maschinenkomponenten
oder Zubehörteile wie Nähnadel, Nadelhalter, Stoffdrückerfuss, Transporteur, Greifer,
Unterfadenspule Stickrahmen usw. oder aber zu verarbeitende Objekte oder Komponenten
wie das Nähgut - bzw. bei mehreren Nähgutlagen eine Nähgutschicht -, der Oberfaden
oder der Unterfaden sein.
Je nach Art, Grösse, Gestalt, Ort und Bewegung des zu erfassenden Objekts kann die
Ausgestaltung und Anordnung der Erfassungsvorrichtung unterschiedlich sein. Mögliche
Anwendungen sind:
- Erfassung der Nähgutbewegung, insbesondere die Ermittlung des Geschwindigkeitsvektors
bzw. der Nährichtung und der Nähgutgeschwindigkeit, die Ermittlung des Beschleunigungsvektors
oder die Berechnung der jeweiligen Ausrichtung und/oder Position des Nähguts durch
Integration der Geschwindigkeit bzw. der Geschwindigkeiten, welche mittels eines oder
mehrerer Sensoren erfasst werden. Die gewonnenen Daten können z.B. zum Steuern oder
Regeln einer Transportvorrichtung für das Nähgut oder zur Qualitätssicherung beim
Nähen oder Sticken (Erfassung von Ist-Soll-Abweichungen in einer oder zwei Dimensionen
der Nähebene, Schlupfminimierung) oder zum Steuern oder Regeln der Nadelbewegung (Freihandnähen
bzw. -quilten) verwendet werden. Aufgrund der Sensorinformationen kann eine Tansportvorrichtung
so geregelt werden, dass die Abweichungen der effektiven Stoffbewegung von der vorgegebenen
Stoffbewegung minimal sind. Die Transportvorrichtung kann beispielsweise Transportwalzen
oder einen von unten und/oder von oben her auf das Nähgut wirkenden Transporteur für
den Stoffvorschub in Nährichtung und gegebenenfalls auch für den Quertransport des
Nähguts umfassen. Bei Anordnung je eines Sensors oberhalb des Nähguts - beispielsweise
im Nähfuss bzw. Nähfussschaft - und unterhalb des Nähguts - beispielsweise in der
Stichplatte - kann die Differenz zwischen den Bewegungssignalen der beiden Sensoren
zur Ermittlung einer Stofflagenverschiebung genutzt werden. In Verbindung mit einer
Vorrichtung zum Transportieren der unteren und der oberen Nähgutlage kann so eine
Regelung geschaffen werden, welche die Verschiebung zwischen den beiden Stofflagen
minimal hält.
- Beim Sticken können Relativbewegungen von Teilen des Stickrahmens und vorzugsweise
des darin eingespannten Nähguts erfasst werden. Diese können z.B. zum Kalibrieren
des Stickrahmens benutzt werden. Insbesondere ist es möglich, schnelle Beschleunigungen
und Schwingungen eines Stickrahmens zu erfassen und dessen Bewegungen so zu optimieren,
dass Schwingungen auch bei grossen Beschleunigungswerten minimal sind. Dadurch kann
die Präzision der Einstichstellen der Nähnadel in das Nähgut verbessert werden.
- Am Stickrahmen oder an einem anderen Maschinen- oder Zubehörteil kann z.B. eine Art
Barcode angebracht sein. Beim Ausführen einer Bewegung dieses Codes relativ zum Lichtstrahl
des Sensors kann der Code aufgrund der resultierenden Intensitätsschwankungen des
gestreuten Lichts ausgelesen werden.
- Da bei entsprechender Ausbildung und Orientierung des Sensors auch Relativbewegungen
des Nähguts vertikal zur Nähebene erfasst werden können, ist es z.B. mit einem von
oben her auf das Nähgut bzw. auf den Nähfuss gerichteten Sensor auch möglich, Hüpfbewegungen
des Nähfusses zu überwachen oder Säume oder Stoffkanten vor dem Erreichen oder Verlassen
des Einstichbereichs der Nähnadel zu überwachen.
- Erfassung und/oder Überwachung einer Fadenlänge oder einer Fadenbewegung, z.B. Geschwindigkeit
des Unter-oder Oberfadens beim Abziehen während des Nähens, des Quiltens oder des
Stickens oder während eines Auf-, Um- oder Abspulvorgangs.
- Erfassung der Drehzahl der Unterfadenspule oder - bei entsprechender Anordnung des
Sensors - der Oberfadenspule.
- Durch gemeinsame Verarbeitung der Drehzahl der Unterfadenspule und der Abzugsgeschwindigkeit
des Unterfadens kann z.B. der Füllgrad der Spule bestimmt werden.
- Erfassung von Bewegungen und/oder Positionen bzw. Ausrichtungen beliebiger bewegbarer
Maschinen- oder Zubehörteile wie Übertragungsriemen, Oberwelle, Nähfuss-Stange, Nähfusshöhe,
Übertragungs- oder Umlenkräder, Hebel usw., insbesondere dann, wenn diese nicht durch
andere Grössen eindeutig bestimmt oder bestimmbar sind. Je nach Ausbildung der Sensorvorrichtung
können Translationsbewegungen und/oder Rotationsbewegungen in einer, zwei oder drei
Dimensionen erfasst und verarbeitet werden. Die von dem oder den Sensoren erfassten
Messgrössen können zur Steuerung oder Regelung dieser Teile benutzt werden.
- Ein geeignet an der Nähmaschine (z.B. in der Stichplatte 27) angeordneter Sensor kann
z.B. anstelle eines Lineals zum Messen von Stofflängen benutzt werden, wobei vorzugsweise
Umschaltmittel vorgesehen sind, mit denen der gewünschte Verwendungszweck des Sensors
gewählt werden kann. Dabei kann der Sensor fest an der Maschine angeordnet oder frei
bewegbar und über eine leitungsgebundene oder alternativ über eine drahtlose Kommunikationsverbindung
mit der Maschinensteuerung verbunden sein, um die Relativbewegung zwischen Sensor
und Nähgut (bzw. einer anderen Vorlage) zu erfassen.
- Zum Erfassen und Speichern von Bewegungen des Nähguts oder allgemein einer Vorlage
kann der Sensor z.B. in einen Nähfuss integriert und mit einem Speichermittel verbunden
sein. Über Einstellmittel an der Nähmaschine kann dann ein Lernmodus aktiviert und
ein Muster abgetastet werden. Die erfassten Bewegungen können in einem Speicher, der
z.B. im Nähfuss integriert oder in der Maschinensteuerung ausgebildet oder ausserhalb
der Nähmaschine angeordnet ist, gespeichert und später z.B. in Verbindung mit einem
Stickmodul wieder abgerufen werden.
[0008] Die Lichtquellen der Sensoren emittieren zumindest annähernd monochromatisches Licht.
Sie können je nach zu erfassendem Objekt räumlich nahe beieinander, vorzugsweise auf
einem gemeinsamen Chip, oder mit grösserem Abstand zueinander angeordnet sein. Sie
können so auf das zu erfassende Objekt gerichtet sein, dass die Auftreffpunkte bzw.
-bereiche auf der Objektoberfläche nahe (z.B. innerhalb weniger Millimeter) beieinander
oder entfernt zueinander liegen. Um eine gegenseitige Beeinflussung mehrerer Sensoren
zu verhindern, können diese z.B. in einer vorgebbaren Reihenfolge getaktet angesteuert
werden, oder es können mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Frequenz verwendet
werden. Zum Bündeln bzw. Kollimieren der Lichtstrahlen können optische Elemente wie
Linsen, Spiegel oder Gitterstrukturen verwendet werden, wobei diese - je nach Lage
der einzelnen Lichtquellen - für jede der Lichtquellen separat oder für zwei oder
mehrere der Lichtquellen gemeinsam genutzt werden können. Zum Erfassen und Auswerten
der Parameterfluktuationen ist jeder der Lichtquellen eine Erfassungsvorrichtung zugeordnet.
Bei mehreren Erfassungsvorrichtungen können diese auch gemeinsame Teile umfassen,
z.B. eine Auswerteeinheit zum abwechslungsweisen oder parallelen Verarbeiten der einzelnen
Messgrössen. Der "self-mixing"-Effekt ermöglicht einen sehr kompakten und platzsparenden
Aufbau der Sensoren, da die Erfassungsvorrichtung direkt mit der Lichtquelle gekoppelt
ist und mit ihr zusammen auf einem gemeinsamen Chip integriert werden kann, und da
der Sendestrahl und der Erfassungsstrahl durch eine gemeinsame Optik beeinflusst werden.
Die Auswerteeinheit zum Verarbeiten der erfassten Signale ist vorzugsweise ebenfalls
auf dem Chip integriert und frei konfigurierbar bzw. programmierbar. Ein externer
Controller ist nicht zwingend erforderlich und die Sensoren lassen sich leicht an
unterschiedliche Aufgabenstellungen anpassen. Es ist auch möglich, die Optik direkt
beim Chip anzuordnen und mit diesem direkt oder indirekt fest zu verbinden. Auf diese
Weise entfallen zusätzliche optische Elemente und damit verbundene Justierarbeiten.
Auch der Platzbedarf ist so äusserst gering.
Die Detektoren, welche die Intensitätsschwankungen im Laserresonator erfassen, können
als photoelektrische Detektoren ausgebildet sein, wobei vorzugsweise jene Photodioden
verwendet werden, welche bei einer Laserdiode ohnehin beim rückseitigen Resonatorspiegel
angeordnet sind und herkömmlich für die Konstanthaltung der Laserleistung genutzt
werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren können bei Nähmaschinen,
Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen und dergleichen zum Erfassen und Steuern bzw. Regeln
unterschiedlichster Bewegungen genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich können derart
erfasste Bewegungsinformationen auch gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgefragt
werden. Dies ist insbesondere bei der Erfassung von Näh- und Stickmustern vorteilhaft.
In der Regel ist die Erfassungsvorrichtung zumindest teilweise ortsfest in der Nähe
eines zu erfassenden bewegbaren Maschinenteils oder Nähobjektes angeordnet. Alternativ
oder zusätzlich können auch die Erfassungsvorrichtung oder die Erfassungsoptik relativ
zu einem zu erfassenden Objekt bewegt werden, beispielsweise wenn sie in einen Griffel
oder ein entsprechendes anderes Eingabemittel zum Erfassen von Mustervorlagen oder
von Nahtverläufen integriert sind. Die Erfassungsvorrichtung kann in diesem Fall z.B.
über Funk oder über eine Kommunikationsleitung mit einer Nähmaschinensteuerung oder
einem Datenerfassungsgerät verbunden sein.
[0009] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
- Figur 1
- ein Prinzipschema zur Veranschaulichung der Bewegungserfassung bei einer Nähmaschine
mittels eines selbstkoppelnden Laser-Dopplerinterferometers,
- Figur 2
- eine seitliche Darstellung eines teilweise aufgeschnittenen Greifers mit darin eingesetzter
Unterfadenspule,
- Figur 3
- eine Detailansicht einer Nähmaschine im Bereich der Stichbildungsvorrichtung mit in
die Stichplatte integrierten Sensoren,
- Figur 4
- einen Nähfuss mit integrierter Erfassungsvorrichtung.
[0010] In Figur 1 ist die prinzipielle Wirkungsweise der Erfassung einer Bewegung mittels
eines selbstkoppelnden Laser-Dopplerinterferometers dargestellt. Als Lichtquelle 1
erzeugt ein Laser - vorzugsweise ein Halbleiterlaser - kohärentes Licht, welches in
einer Kavität bzw. einem Resonator 3 mit einem vorderen, teildurchlässigen Spiegel
5 und einem hinteren Spiegel 7 verstärkt wird. Am vorderen Spiegel 5 wird das ausgekoppelte
kohärente Licht durch ein oder mehrere optische Elemente, beispielsweise durch eine
Sammellinse 9, zu einem Lichtstrahl bzw. Sendestrahl 11 gebündelt. Dieser trifft auf
ein zu erfassendes Objekt 13 auf und wird dort mindestens teilweise gestreut. Ein
Teil des gestreuten Lichts wird als Empfangsstrahl 15 in Richtung des Lasers zurück
reflektiert. Er passiert dort die optischen Elemente und tritt dann durch den Spiegel
5 erneut in den Resonator 3 ein. Das so wieder in den Resonator 3 eingekoppelte Licht
interferiert mit dem im Resonator 3 verstärkten Licht, wie dies z.B. aus der
WO-A1-02/37410 bekannt ist. Diese Interferenzerscheinung beeinflusst die Verstärkung des Lasers
und die Intensität des vom Laser erzeugten Licht- bzw. Sendestrahls 11. Die Intensität
des Sendestrahls 11 weist in Abhängigkeit der Entfernung Minima und Maxima auf. Bewegt
sich das Objekt 13 (bzw. der Bereich der Objektoberfläche, wo der Sendestrahl 11 auf
das Objekt 13 auftrifft) mit einer Geschwindigkeit, die mindestens einen positiven
oder negativen Anteil in Ausbreitungsrichtung des Sendestrahls 11 aufweist (mit andern
Worten also eine Komponente in oder entgegen der Ausbreitungsrichtung umfasst), so
ändert sich die Frequenz des Empfangsstrahls 15 aufgrund des Dopplereffekts ein wenig.
Durch Auswertung der Intensitätsschwankungen, beispielsweise mittels einer rückwärtig
hinter dem hinteren, nur geringfügig teildurchlässigen Laserspiegel 7 angeordneten
Fotodiode 17, kann die Komponente der Objektgeschwindigkeit in Richtung des Sendestrahls
11 ermittelt werden. Solche Fotodioden 17 werden herkömmlich zur Konstanthaltung der
Intensität des Laserlichts benutzt. Durch zeitliche Integration der in einer oder
mehreren Richtungen erfassten Geschwindigkeitskomponenten können Entfernungen bzw.
Positions- oder Lageänderungen bestimmt werden. In der
WO-A1-02/37410 werden auf S. 11, Z. 8 bis S. 15, Z. 22 mehrere Methoden erläutert, wie der Betrag
einer Geschwindigkeitskomponente und deren Vorzeichen bzw. Richtung bestimmt werden
können.
[0011] Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die Bewegungsrichtung aufgrund der Asymmetrie
der Funktionen f(L) bzw. g(L) bestimmt werden kann, wobei f die Frequenz des Lasers,
g die Verstärkung im Laserresonator 3 und L die Objektentfernung vom vorderen Resonatorspiegel
5 ist.
[0012] Selbst bei transparenten und spiegelnden realen Objekten 13 wird in der Regel ein
geringfügiger Teil des auftreffenden Lichts diffus gestreut. Damit dieser Anteil genügend
gross für eine Auswertung der Schwankungen aufgrund des Selbstkopplungseffektes ist,
kann die Oberfläche der zu erfassenden Maschinen- oder Zubehörteile z.B. aufgeraut
oder beschichtet werden, wodurch der diffuse Streuanteil des Laserlichts erhöht wird.
Im Beispiel von Figur 1 ist das zu erfassende Objekt 13 eine um eine Spulenachse 19
drehbare Unterfadenspule. Der Sendestrahl 11 trifft im Randbereich des vorderen Spulenflansches
21 unter einem Einfallswinkel α auf die Flanschfläche auf. Dabei hat der Sendestrahl
11 mindestens einen mit der Oberflächengeschwindigkeit v
A der Flanschfläche an der Auftreffstelle A korrespondierenden Richtungsanteil. Vorzugsweise
ist der Sendestrahl 11 so orientiert, dass sein Richtungsanteil in Richtung der Oberflächengeschwindigkeit
v
A an der Auftreffstelle A relativ gross ist. Während des Betriebs der Nähmaschine ist
die Unterfadenspule wie in Figur 2 dargestellt in eine Spulenkapsel 23 und zusammen
mit dieser in den Greifer 24 eingesetzt, welcher im Unterarm 25 der Nähmaschine unterhalb
der Stichplatte 27 in einem Greifergehäuse 29 angeordnet ist (Fig. 3).
Die übrigen Teile des handelsüblichen Greifers 24 wie der Greiferkörper 28, das auf
der Antriebswelle 31 sitzende Ritzel 30 sowie das Fadenfangblech 32 werden nicht näher
beschrieben.
Die Erfassung der Unterfadenspule kann je nach Sichtbarkeit der jeweiligen Greiferanordnung
aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen. Insbesondere können der vordere Flansch
21 oder der hintere Flansch 21' der Spule von vorne oder von hinten oder radial von
aussen her erfasst werden. Alternativ können der oder die Sensoren in die Antriebswelle
31 des Greifers 24 integriert sein (keine Darstellung) und relativ dazu die Drehbewegung
der Spule erfassen, indem der hülsenartige Spulendorn oder - kern 33 (Fig. 1) von
innen her abgetastet wird. Der oder die Sensoren können z.B. an der Spulenkapsel 23
oder innerhalb des Greifergehäuses 29 angeordnet sein. Bei der Anordnung eines Sensors
an der Spulenkapsel 23 oder am Greifer 24 können Stromzufuhr und Kommunikation zum
Sensor z.B. mittels Schleifkontakten (nicht dargestellt) an der Antriebswelle 31 sichergestellt
werden. Zur Erfassung der Drehbewegung der Spule vom Greifergehäuse 29 her können
in der Spulenkapsel 23 Öffnungen 26 vorgesehen sein, durch welche die Spule abgetastet
werden kann. Es ist auch möglich, im Greifergehäuse 29 mehrere Sensoren ringförmig
verteilt um die Spulenachse 19 der eingesetzten Spule anzuordnen (nicht dargestellt),
damit immer mindestens einer dieser Sensoren die Spule durch die Ausnehmung 26 in
der Spulenkapsel 23 hindurch erfassen kann, selbst dann, wenn sich auch die Spulenkapsel
23 dreht. In diesem Fall wertet die Sensorelektronik bzw. die Steuerung die verschiedenen
Sensorsignale aus und berücksichtigt jeweils nur jene Signale, welche zum jeweiligen
Zeitpunkt die Spulenbewegung erfassen.
[0013] Die Unterfadenspule hat im Betrieb nur einen einzigen Freiheitsgrad, nämlich die
Drehbewegung um die Spulenachse 19. Deshalb genügt bei geeigneter Anordnung ein einziger
Sensor mit nur einem Sendestrahl 11, um diese Bewegung eindeutig zu erfassen. Die
zur Auswertung der Sensorsignale erforderliche Elektronik bzw. Steuerung kann teilweise
oder vollständig in den Sensor integriert oder teilweise oder vollständig von der
Maschinensteuerung umfasst sein. Dabei ist vorzugsweise ein nichtflüchtiges Speichermedium
(nicht dargestellt) vorgesehen, in welchem je nach Bedarf Informationen über das zu
erfassende Objekt 13, über dessen Position, Orientierung im Raum und dessen Bewegungsmöglichkeiten
sowie über die Anordnung des oder der Sensoren gespeichert sein können. In Verbindung
mit derart gespeicherten Informationen kann die Steuerung aus den Sensorsignalen die
zugehörigen Bewegungen, Positionen usw. des erfassten Objekts 13 ermitteln. Bei einer
Anordnung gemäss Figur 1 kann beispielsweise die Richtung der Objektbewegung an der
Auftreffstelle A in mehrere Komponenten zerlegt werden, wovon eine die Richtung des
Sendestrahls 11 hat. Im Speicher können dann z.B. das Verhältnis dieser Bewegungskomponente
zur gesamten Objektbewegung sowie der Abstand r
A der Auftreffstelle A von der Spulenachse 19 gespeichert werden (Fig. 1). Somit kann
die Steuerung aus den erfassten Sensorsignalen unter Mitwirkung der gespeicherten
Daten eindeutig die Drehgeschwindigkeit ω = 2π/T = v
A/r
A der Unterfadenspule berechnen.
Analog dazu können auch beliebige Bewegungen bei Objekten 13 mit mehreren Freiheitsgraden
durch mehrere Sensoren oder durch Sensoren mit mehreren Sendestrahlen 11 erfasst werden,
wobei die Sendestrahlen 11 in unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt 13 auftreffen.
Die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade bestimmt die Anzahl der für eine eindeutige
Erfassung der Objektbewegung erforderlichen Sendestrahlen 11.
Zur Erfassung kleiner Objekte 13 können zwei oder mehrere Lichtquellen 1 nahe beieinander
auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet sein, wobei die zugehörigen Sendestrahlen
11 vorzugsweise von verschiedenen Seiten her durch eine gemeinsame Optik 9 in Richtung
des jeweils zu erfassenden Objekts 13 emittiert werden. Alternativ können mehrere
Sendestrahlen 11 auch unabhängig voneinander aus verschiedenen Richtungen auf das
Objekt 13 gestrahlt werden. Wenn die einzelnen Lichtquellen 1 räumlich getrennt voneinander
angeordnet sind, können Objektbewegungen auch aus grösserer Entfernung (z.B. 10cm
bis 15cm) erfasst werden. Die optischen Elemente 9 können so ausgebildet sein, dass
die Sendestrahlen 11 nicht scharf auf einen Punkt fokussiert sind, sondern über einen
grösseren Bereich eine geringfügige Unschärfe aufweisen. Solche Sendestrahlen 11 haben
innerhalb des nutzbaren Messbereichs in Ausbreitungsrichtung einen gleichmässigen
oder nur wenig variierenden Strahldurchmesser. Auf diese Weise können Objektbewegungen
auch in Richtung des Sendestrahls 11 zuverlässig erfasst werden, da die Intensität
des Streulichtanteils, welcher wieder in den Resonator 3 eingekoppelt wird, bei derartigen
Bewegungen nur wenig variiert.
[0014] Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden andere Objekte 13 von einem oder
mehreren Sensoren erfasst, z.B. Nähmaschinenteile wie Nähnadel, Nadelhalter, Stoffdrückerfuss,
Transporteur, Greifer, Unterfadenspule Stickrahmen usw. oder zu verarbeitende Objekte
13 bzw. Komponenten wie z.B. das Nähgut oder - bei mehreren Nähgutlagen - die oberste
und/oder die unterste Nähgutschicht, der Oberfaden oder der Unterfaden. Entsprechend
werden die Sensoren an geeigneten Stellen der Näh- oder Stickmaschine angeordnet.
[0015] Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Nähmaschine im Bereich der Stichbildungseinheit.
Dabei sind in der Stichplatte 27 drei Ausnehmungen 35 (alternativ können auch nur
eine oder zwei Ausnehmungen vorgesehen sein) mit darin angeordneten optischen Elementen
ausgebildet. Diese optischen Elemente können z.B. für das Licht der Lichtquellen 1
transparente Fenster umfassen, welche bündig mit der Oberseite der Stichplatte 27
in die Ausnehmungen 35 eingelassen sind. Alternativ oder zusätzlich können die optischen
Elemente auch Sammellinsen 9 (Fig. 1) umfassen. Bei konvex gewölbten Linsen 9 kann
die Wölbung leicht über die Ebene der Stichplatte 27 vorstehen. Unterhalb der Linsen
9 sind die Sensoren mit den Lichtquellen 1 angeordnet. Unter jeder der Linsen 9 können
jeweils ein oder mehrere Sensoren angeordnet sein. Vorzugsweise sind im Bereich jeder
der Ausnehmungen 35 zwei Sensoren mit je einer Lichtquelle 1 (Fig. 1) so angeordnet,
dass die von den Lichtquellen 1 erzeugten Sendestrahlen 11 in unterschiedlichen Richtungen
der Nähebene, vorzugsweise in Nährichtung y und in Querrichtung x, von unten her unter
einem Einfallswinkel α (Fig. 1) in der Grössenordnung von etwa 15° bis etwa 75°auf
das Nähgut (nicht dargestellt) auftreffen. Selbstverständlich können die beiden Sendesstrahlen
11 auch unter unterschiedlichen Einfallswinkeln α auf das Nähgut auftreffen. Durch
Auswertung der Signale zweier solcher Sensoren können Bewegungen innerhalb der Nähebene
erfasst werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann ein dritter Sensor vorgesehen
sein, wobei dessen Sendestrahl 11 vorzugsweise unter einem Einfallswinkel α von 0°
- also vertikal - auf das Nähgut auftrifft. Alternativ kann der Sendestrahl 11 der
dritten Lichtquelle 1 auch unter einem anderen Einfallswinkel α auf das Nähgut auftreffen.
Dieser sollte sich aber möglichst von den Einfallswinkeln α der anderen Sendestrahlen
11 unterscheiden. Durch Auswerten der Signale des dritten Sensors - gegebenenfalls
unter Berücksichtigung der Signale eines oder mehrerer weiterer Sensoren - können
Relativbewegungen der Nähgutoberfläche vertikal zur Nähebene erfasst werden, wie sie
beispielsweise im Bereich von Nähten oder Kanten des Nähguts oder aufgrund der Hubbewegungen
des Transporteurs auftreten können.
Damit Drehbewegungen des Nähguts erfasst und von Verschiebungen in der Nähebene unterschieden
werden können, kann die Nähgutoberfläche an unterschiedlichen Stellen, z.B. im Bereich
zweier Ausnehmungen 35 von mehreren Sensoren erfasst werden. Die Ausnehmungen 35 mit
den Sensoren können beispielsweise einseitig oder beidseitig der Nadeleinstichöffnung
37 in der Stichplatte 27 und/oder in Nährichtung y gesehen vor oder hinter der Nadeleinstichöffnung
37 angeordnet sein. Ihr gegenseitiger Abstand ist mit wenigen Zentimetern gross genug,
dass Drehbewegungen von linearen Verschiebungen unterschieden werden können, und klein
genug, dass Fehler infolge eines allfälligen Faltenwurfs des Nähguts minimal sind.
In Figur 3 sind unten am Nähmaschinenkopf 39 weitere Elemente sichtbar, insbesondere
ein an einer Stoffdrückerstange 43 gehaltener Nähfuss 41 mit gelenkig gelagerter Nähfusssohle
42 und eine Nadelstange 45 mit darin eingesetzter Nähnadel 47 sowie einen Abschnitt
des Oberfadens 49, der in eine Fadenführung 51 an der Nadelstange 45 eingehängt ist.
Die Erfassung von Bewegungen bzw. Positionsänderungen des Nähguts im Bereich der Nadeleinstichstelle
kann z.B. zum Erkennen von Abweichungen der tatsächlichen Nähgutbewegung von einer
vorgegebenen Nähgutbewegung und zur Regelung der Transportvorrichtung (z.B. Transporteur
oder Stickrahmen) genutzt werden. Bei einer anderen Anwendung, nämlich dem Freihandquilten,
ist die Transportvorrichtung nicht aktiv. Das Nähgut wird dort von Hand geführt. Mit
Hilfe der von den Sensoren erfassten Stoffbewegung kann die Stichbildungseinheit derart
angesteuert werden, dass - unabhängig von der Nähgutgeschwindigkeit - Nadelstiche
mit gleichmässigen Abständen der Einstichstellen im Nähgut gesetzt werden. Bei einer
weiteren Anwendung kann die Erfassungsvorrichtung dazu benutzt werden, ein Nähmuster
zu erfassen und zu speichern. Anhand der gespeicherten Daten kann dieses Nähmuster
später (beispielsweise unter Verwendung eines Stickrahmens) beliebig oft rekonstruiert
werden. Zur Erfassung von Mustervorlagen für Näh- und Stickmaschinen kann die Sensorvorrichtung
alternativ auch in einen Griffel oder eine äquivalente Abtastvorrichtung integriert
sein. Zum Abtasten der Vorlage bleibt hier die Mustervorlage in Ruhe und der Griffel
wird relativ zur Mustervorlage bewegt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Sensoren in den Nähfuss 41 bzw.
in eine Nähfusssohle 42 eingebaut, wie dies in Figur 4 schematisch dargestellt ist.
Dort sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine Laser-Lichtquelle 1 und eine
Sammellinse 9 dargestellt. Die Elektronik zum Erfassen und Auswerten der Sensorsignale
ist gemeinsam mit der Lichtquelle 1 auf einem Chip 53 integriert. Die Elektronik des
Nähfusses 41 kann z.B. mittels eines Kabelsteckers 55 mit der Steuerung der Nähmaschine
verbunden werden (nicht dargestellt). Alternativ kann die Verbindung zwischen Nähfuss
und Maschinensteuerung auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise über Federkontakte
zwischen Nähfuss 41 und Stoffdrückerstange 43 oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung.
Zur Erfassung der Nähgutbewegung von oben her oder zur Erfassung von Bewegungen von
Nähmaschinenteilen im Bereich des Maschinenkopfs 39 können Sensoren - bei entsprechend
angepasster Optik - auch unmittelbar beim oder unterhalb des Maschinenkopfs 39 angeordnet
sein.
[0016] Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Sensor so an der
Nähmaschine angeordnet, dass er die Abzugsgeschwindigkeit des Unterfadens oder des
Oberfadens erfassen kann, also beispielsweise im Bereich der Fadenführung 51 starr
verbunden mit der beweglichen Nadelstange 45 oder am Oberarm der Nähmaschine im Bereich
einer federnden bzw. klemmenden Fadenspannvorrichtung (nicht dargestellt) oder im
Bereich der Spulenträger für die Oberfadenspulen (nicht dargestellt). Da sowohl der
Oberfaden wie auch der Unterfaden während des Nähens ruckartig abgezogen werden, kann
bei der jeweiligen Auswerteelektronik eine Verarbeitungsstufe zum Glätten dieser Signale
bzw. zur laufenden Mittelwertbildung vorgesehen sein. Durch Integration der erfassten
Geschwindigkeitsmessgrösse ergibt sich die Fadenmenge. Falls die auf der Fadenspule
befindliche Fadenmenge gespeichert ist, kann dieser Wert laufend aktualisiert werden.
Insbesondere kann der Nähvorgang vor Erreichen des Fadenendes gestoppt werden.
Bei Stickrahmen können grosse Beschleunigungen auftreten, die zu Schwingungen der
bewegten Massen führen. In der Folge können die Einstichpositionen der Nähnadel ins
Nähgut fehlerhaft sein. Da mit der erfindungsgemässen Bewegungserfassungsvorrichtung
ohne wesentliche Verzögerung hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erfasst werden
können, eignet sich diese hervorragend zum Erfassen von Bewegungen des Stickrahmens
und zum Regeln der Stickrahmenantriebe. Der Regelalgorithmus kann dabei so ausgestaltet
werden, dass störende Schwingungen des Rahmens verhindert oder minimiert werden. Anstelle
des Rahmens kann auch das Nähgut im Stickrahmen erfasst werden. Dabei muss berücksichtigt
werden, dass auch das in den Stickrahmen eingespannte Nähgut elastisch und träge ist
und somit innerhalb des Stickrahmens zu Schwingungen angeregt werden kann.
[0017] Beim vorgeschlagenen Verfahren zur Bewegungserfassung ist jeweils eine minimale Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden Objekt 13 erforderlich. Zur zuverlässigen
Erfassung sehr langsamer Bewegungen kann optional ergänzend eine herkömmliche Vorrichtung
zur Erfassung von Positionsänderungen vorgesehen sein, welche beispielsweise Lageänderungen
von Merkmalen der Objektoberfläche mittels Bildverarbeitung auswertet.
[0018] Der Begriff "Nähmaschine" ist weit auszulegen und umfasst auch Quiltvorrichtungen,
Stickmaschinen oder andere stichbildenden oder zum Zusammenfügen textiler Flächengebilde
geeignete Vorrichtungen.
1. Nähmaschine mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (1) zum Emittieren von kohärentem Licht vorgesehen ist,
dass dieser Lichtquelle (1) ein Interferenz-Detektor zugeordnet ist, der zur Erfassung
einer Messgrösse ausgebildet ist, welche die Interferenz zwischen dem an einem zu
erfassenden Objekt (13) gestreuten Licht dieser Lichtquelle (1) und dem Licht dieser
Lichtquelle (1) charakterisiert.
2. Nähmaschine nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (1) einen Laser mit einem Resonator
(3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik (9) zum Beeinflussen eines Sendestrahls (11) vorgesehen ist, und dass
die Optik (9) zugleich zum Sammeln und Wiedereinkoppeln in den Resonator (3) von am
Objekt (13) gestreutem Licht der Lichtquelle (1) ausgebildet ist, und dass der Resonator
(3) der Ort der Interferenzbildung ist.
3. Nähmaschine nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung mehrere Lichtquellen (1) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1) so angeordnet und die Optik (9) so ausgebildet sind, dass die
Sendestrahlen (11) der Lichtquellen (1) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln (α)
auf die Objektoberfläche auftreffen.
4. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens teilweise in einen Nähfuss (41) oder eine Nähfusssohle
(42) integriert ist.
5. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens teilweise im Greifergehäuse (29) in oder unterhalb der
Stichplatte (27) oder am oder unterhalb des Nähmaschinenkopfs (39) angeordnet ist.
6. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine programmierbare bzw. konfigurierbare Auswerteeinheit umfasst.
7. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Speicher umfasst zum Speichern von Informationen über zu erfassende
Objekte (13) und/oder über Bewegungen solcher Objekte (13) und/oder über die Anordnung
von Sensoren.
8. Verfahren zur Erfassung von Bewegungen bei einer Nähmaschine nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtquellen (1) kohärentes Licht in Richtung eines zu erfassenden
Objektes (13) abstrahlen, dass auf das Objekt (13) auftreffendes Licht dieser Lichtquellen
(1) am Objekt gestreut und danach mit Licht der jeweiligen Lichtquelle (1) zur Interferenz
gebracht wird, wobei das gestreute Licht bei Bewegungen des Objekts (13) jeweils infolge
des Doppler-Effekts eine von der Objektbewegung abhängige Frequenzverschiebung erfährt,
und dass für jede der Lichtquellen (1) eine Messgrösse erfasst und ausgewertet wird,
welche sich in Abhängigkeit des interferierenden Lichts ändert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der erfassten Messgrösse bzw. der erfassten Messgrössen unter Mitwirkung
gespeicherter Informationen über das zu erfassende Objekt (13) und/oder dessen Bewegungsfreiheitsgrade
und/oder unter Mitwirkung von aus allfällig vorhandenen weiteren Messgrössen abgeleiteten
Informationen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Messgrösse bzw. den Messgrössen Geschwindigkeiten und/oder Bewegungsrichtungen
und/oder absolute oder relative Lage- bzw. Positionsvektoren ermittelt werden.