Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Konusschärmaschine gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Dabei wird von einem Spulengatter in einem vorbestimmten Kettfadenrapport eine Fadenschar abgezogen und als Schärband bzw. als Schärbandsektion auf die Schärtrommel aufgewickelt. Jede Schärbandsektion wird dabei aus Stabilitätsgründen in der Neigung des Kegelstumpfwinkels am Konusteil aufgewickelt, wozu eine möglichst exakte Steuerung des Schärschlittenvorschubs erforderlich ist. Dieser Schlitten führt während des Wickelvorgangs eine Bewegung axial und mit zunehmender Wickeldicke auch radial zur Längsachse der Schärtrommel aus. Das Grundprinzip des Konusschärverfahrens ist dem Fachmann seit vielen Jahrzehnten bekannt.

Ein Problem bei den bekannten Verfahren bildet nach wie vor die präzise Steuerung des Schärschlittens, weil sich je nach Schärwickelanforderung, Garnqualität, Garntyp, Wickeldichte, Bandbreite, Betriebsbedingungen, Toleranzen usw. Schärbandsektionen bilden können, die mehr oder weniger stark von einer optimalen Konfiguration für die nachfolgenden Prozessschritte abweichen. Dies wiederum führt in den nachgelagerten Verarbeitungsprozessen zu mangelhaften Ketten, welche den Webprozess stark beeinträchtigen können. Es wurden bereits zahlreiche Anstrengungen unternommen, um diesbezüglich den Schärprozess zu verbessern. So beschreibt beispielsweise die EP 696 332 B1 ein Verfahren zum Schären von Fäden, bei dem mittels einer Auftragsdicken-Messeinrichtung ein Auftragsdickensignal zur Beeinflussung des Schärschlittenvorschubs erzeugt wird. Die Auftragsdicken-Messeinrichtung besteht dabei aus einer Laserlicht-Entfernungsmesseinrichtung.

Ein Nachteil der bekannten Verfahren besteht insbesondere darin, dass das Wickelverhalten des Schärbandes nur unzureichend berücksichtigt wird. Durch die WO 01/27367 ist zwar bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Konusschärmaschine bekannt geworden, bei dem das von der Komprimierbarkeit des Materials abhängige Setzverhalten berücksichtigt wird. Zu diesem Zweck wird der Wickeldurchmesserzuwachs auf der Schärtrommel berechnet. Abweichungen innerhalb einer Schärbandbreite können dabei jedoch nicht berücksichtigt werden.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine noch präzisiere Steuerung bzw. Regelung des Schärschlittenvorschubs ermöglicht, wobei insbesondere auch das individuelle Setzverhalten eines Schärbandes in Abhängigkeit von verschiedenen dieses Verhalten beeinflussenden Parametern berücksichtigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 aufweist.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Aussenkontur eines Schärbandwickels ein verlässliches Indiz für ein bestimmtes Wickelverhalten eines Schärbandes und für die Qualität des sich daraus ergebenden Gesamtwickels ist. Erfindungsgemäss wird daher das Steuersignal für die Beeinflussung des Schärschlittenvorschubs aus der über die Messeinrichtung ermittelten Aussenkontur eines Schärbandwickels bezogen auf die Längsrichtung der Schärtrommelachse abgeleitet. Die Ermittlung einer derartigen Messgrösse hat beispielsweise gegenüber einer Auftragsdickenmessung den Vorteil, dass nicht nur an einem bestimmten Punkt des Wickels eine Messung vorgenommen wird, sondern dass gewissermassen der Gesamtzustand des Wickels als Funktion seiner Aussenkontur ermittelt wird. Je nach Garnqualität und Garnnummer kann sich die Aussenkontur bei gleich bleibender Zugspannung stark verändern.

Besonders vorteilhaft wird aus der ermittelten Aussenkontur ein Ist-Wert gebildet, der in einer Vergleichseinrichtung mit einem empirisch ermittelten und von spezifischen Schärbandparametern abhängigen Soll-Wert verglichen wird und wenn das Steuersignal aus der Differenz zwischen Ist-Wert und Soll-Wert gebildet wird. Für jede Garnqualität lassen sich somit unter idealen Bedingungen Werte ermitteln, die einem theoretischen Schärschlittenvorschub entsprechen, um möglichst optimale Schärbandsektionen zu erhalten. Die Vergleichseinrichtung stellt fest, wie stark der ermittelte Ist-Wert vom Soll-Wert abweicht und korrigiert dementsprechend den Schärschlittenvorschub.

Besonders vorteilhaft werden die jeweils ermittelten Werte dazu verwendet, die in der Vergleichseinrichtung gespeicherten Soll-Werte zu korrigieren, sodass sich mit zunehmender Betriebsdauer ein Selbstlerneffekt einstellt. Die Korrektur erfolgt dabei dadurch, dass der Wickel am Ende einer Sektion gemessen wird und dass die Bedienungsperson darüber entscheidet, ob der ermittelte Wert innerhalb einer Toleranzgrenze liegt. Trifft dies nicht zu, werden die entsprechenden Messwerte als Korrekturwerte abgespeichert, sodass die bereits gespeicherten Soll-Werte für unterschiedliche Garnqualitäten permanent verfeinert werden.

Zur besseren Handhabung der ermittelten Daten ist es vorteilhaft, wenn aus der ermittelten Aussenkontur ein Winkel relativ zur Schärtrommeloberfläche interpoliert wird und wenn das Steuersignal in Abhängigkeit dieses Winkels gebildet wird. Dabei kann es sich auch um einen Koeffizienten handeln, der für einen bestimmten Winkel steht. Selbstverständlich wären aber auch komplexere Messgrössen denkbar, so beispielsweise ein Wert, der für eine bestimmte Krümmung der Aussenkontur steht.

Die Aussenkontur kann auch nur über eine Teilstrecke der gesamten Schärbandbreite ermittelt werden. In der Praxis werden nämlich die grössten Abweichungen von einer theoretischen Parallele zur Schärtrommeloberfläche am Schärbandwickel auf der Seite des Konusteils festgestellt. Es genügt daher, lediglich diesen Abschnitt durch die Messung zu erfassen. Die Abscannbewegung muss ausserdem nicht zwingend parallel zur Schärtrommelachse erfolgen. Denkbar wäre in bestimmten Fällen auch eine schraubenlinienförmige Bewegung. Es könnte auch an verschiedenen Stellen des Wickelumfangs gemessen bzw. gescannt werden.

Die Ermittlung der Aussenkontur kann permanent während des ganzen Wickelvorgangs einer Schärbandsektion erfolgen. Die derart permanent erzeugten Steuersignale können dabei auch Bestandteil eines Regelkreises sein, mit dem der Schärschlittenvorschub permanent in Richtung des Idealwerts korrigiert wird.

Die Ermittlung der Aussenkontur kann aber auch intermittierend bei stehender Schärtrommel in vorbestimmten Schritten erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass an der stehenden Schärtrommel präzisiere Messungen auf einfachere Art möglich sind. Die Anzahl der Messschritte kann dabei je nach Garnqualität variieren.

Die durchzuführenden Messschritte können in Abhängigkeit von der Kettlänge und/oder vom verarbeiteten Material durchgeführt werden. Dabei können je nach den gegebenen Umständen zehn oder mehr Messschritte nötig sein, um den Wickelaufbau zu optimieren. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die maximale Bandbreite nach oben begrenzt ist, damit keine verfälschten Korrekturwerte gemessen werden.

Die Ermittlung der Aussenkontur erfolgt vorteilhaft berührungslos beispielsweise mittels optischen Sensoren, wie z.B. Lasersensoren oder CCD-Kameras. Besonders vorteilhaft erfolgt die Ermittlung der Aussenkontur durch Abscannen der Wickeloberfläche mit einem Lasersensor. Dabei können sehr präzise Werte für die Bildung des Steuersignals erreicht werden. Selbstverständlich wäre die Ermittlung der Aussenkontur aber auch mit einem taktilen Sensor möglich. Entsprechende Präzisionsmesstaster sind dem Fachmann bekannt.

Die Messwerte können weiter optimiert werden, wenn vor dem Beginn des Schärprozesses die Messeinrichtung auf der Schärtrommel bzw. auf dem konischen Abschnitt der Schärtrommel kalibriert wird. Damit wird sichergestellt, dass die Messeinrichtung stets exakt auf einer bestimmten Messebene arbeitet, wobei die genauen Koordinaten der Schärtrommel bzw. des Übergangs vom zylindrischen zum konischen Teil bekannt sind.

Um einen rationellen Schärprozess zu gewährleisten ist es zweckmässig, wenn die erste Schärbandsektion als Lernphase gewickelt wird, deren Vorschubwerte für den Schärschlitten gespeichert werden und wenn die Lernphase für alle weiteren Schärbandsektionen kopiert wird. Es wäre aber selbstverständlich auch denkbar, die Messungen bzw. Korrekturen an weiteren Schärbandsektionen zu wiederholen.

Es hat sich schliesslich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn über eine Mehrzahl von Schärbandwickel eine Gesamtwickelkontur ermittelt wird, wobei wenigstens ein erster Punkt am Konusteil, ein zweiter Punkt am Scheitel des Gesamtwickels und ein dritter Punkt am Ende der Gesamtkontur gemessen wird und wenn aus diesen drei Messpunkten ein Steuersignal zum Steuern der nachfolgenden Gesamtwickel abgeleitet wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich fehlerhafte Gesamtwickelkonturen kumulieren. Die ideale Gesamtwickelkontur ist dabei eine gerade, welche parallel zur Trommeloberfläche verläuft, wobei der Gesamtwickelquerschnitt ein Parallelogramm mit der Neigung des Konuswinkels bildet.

Die Erfindung betrifft auch eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitende Konusschärmaschine, welche die Merkmale im Anspruch 15 aufweist. Auf einzelne vorrichtungsmässige Merkmale wurde bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren hingewiesen.

Die Messeinrichtung ist vorzugsweise dem Schärschlitten zugeordnet und synchron mit diesem bewegbar, wobei sie aber zusätzlich unabhängig vom Schärschlitten in drei verschiedenen Achsen bewegbar ist. Ersichtlicherweise muss die Messeinrichtung immer in der Nähe des Auflaufpunktes des Schärbandes, also in der Nähe des Schärblatts sein. Dies legt eine Koppelung mit dem Schärschlitten nahe, wobei aber auch eine vollständig unabhängige Lagerung am Gestell der Schärmaschine denkbar wäre. Um optimale Messvorgänge zu gewährleisten, ist die Messeinrichtung an einem Roboterarm angeordnet, der parallel zur Schärtrommelachse, sowie auf einer horizontalen und auf einer vertikalen Ebene orthogonal zur Schärtrommelachse bewegbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelmerkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1:

Eine stark vereinfachte Ansicht auf eine Konusschärmaschine von der Gatterseite her gesehen,

Figur 2:

eine stark vereinfachte Darstellung eines theoretischen Schärwickelaufbaus,

Figur 3:

eine stark vereinfachte Darstellung eines tatsächlichen Schärwickelaufbaus,

Figur 4:

eine schematische Darstellung der Steuerung für die Schärmaschine gemäss Figur 1,

Figur 5:

eine stark schematisierte Darstellung eines Schärbandwickels mit Messeinrichtung,

Figur 6:

eine ebenfalls stark vereinfachte Darstellung mehrerer Schärbandsektionen in einzelnen Wickelabschnitten,

Figur 7:

eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäss Figur 1, und

Figur 8a:

eine fehlerhafte Gesamtwickelkontur an einer ersten Kette, und

Figur 8b:

eine optimierte Gesamtwickelkontur an einer zweiten Kette

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, besteht eine Konusschärmaschine 1 auf an sich bekannte Weise aus einer Schärtrommel 2, die einen Konusabschnitt 3 aufweist, und die in einem Maschinengestell 11 drehantreibbar gelagert ist. Ein Schärschlitten 5 ist auf einer Schlittenführung 12 gelagert und parallel zur Schärtrommelachse 7 verschiebbar. Am Schärschlitten 5 ist das Schärblatt 10 angeordnet, an dem die vom nicht dargestellten Spulengatter kommenden Fäden zum Schärband 4 (Fig. 2, Fig. 3) zusammengeführt werden. Das Schärblatt 10 ist im Schärschlitten auch noch orthogonal zur Schärtrommelachse verschiebbar, und zwar sowohl auf einer horizontalen wie auf einer vertikalen Ebene. Der Schärschlitten wird beim Wickelvorgang in Pfeilrichtung a vorgeschoben, so dass der Konusschräge folgend einige Schärbandsektionen 6.1, 6.2 usw. gewickelt werden.

Dem Schärschlitten 5 zugeordnet ist ein Roboterarm 13 mit insgesamt drei hier nicht näher dargestellten Antriebsmotoren für die Bewegung der am Roboterarm angeordneten Messeinrichtung 8 auf drei verschiedenen Bewegungsachsen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Messeinrichtung um einen Laserlichtsensor, mit dem die Aussenkontur 9 (Fig. 3) eines Schärbandwickels in Richtung der Schärtrommelachse 7 abgescannt werden kann. Die Messung erfolgt bei stehender Schärtrommel 2 in einzelnen Schritten, wobei die Messeinrichtung 8 während des Schärens in eine Ruhestellung gefahren wird, in der sie den Schärprozess nicht beeinträchtigt.

Figur 2 zeigt den sich beim Wickeln eines Schärbands 4 theoretisch ergebenden Aufbau bei jeder Umdrehung der Trommel. Das Schärband, das in Wirklichkeit aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Fäden besteht, ist hier als Rechteck mit einer Schärbandhöhe h entsprechend der Dicke der Fäden und mit einer Schärbandbreite B dargestellt. Bei einem Konuswinkel α am Konusteil 3 der Schärtrommel muss der Schärschlitten ersichtlicherweise um die Strecke Sv vorgeschoben werden, damit der Wickelaufbau dem Konuswinkel folgt. Der Vorschub pro Trommelumdrehung ergibt sich dabei aus der Formel $$\mathrm{Sv}\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{:}\mathrm{tan\; \alpha }\mathrm{.}$$

Infolge des unterschiedlichen Setzverhaltens des Schärbandes 4 auf dem zylindrischen und auf dem konischen Teil der Schärtrommeloberfläche sowie auf den sich berührenden Lagen untereinander ergibt sich jedoch ein Wickelaufbau, wie er stark übertrieben in Figur 3 dargestellt ist. Dabei zeichnet sich mit zunehmendem Wickelaufbau eine Aussenkontur 9 mit einer Krümmung ab. Je nachdem, wie der Schlittenvorschub eingestellt ist, kann die Krümmung relativ zur Schärtrommeloberfläche konvex oder konkav verlaufen. Die Aussenkontur 9 bildet somit die Grundlage zur Erzeugung eines Steuersignals für die Korrektur des Schlittenvorschubs.

In Figur 4 ist stark schematisiert die Steuerung der Schärmaschine dargestellt. Dabei wird die Schärtrommel 2 von einem Antriebsmotor 15 angetrieben, wobei ein Signalgeber 16 die Trommelumdrehungen erfasst und einem Rechner 17 zuführt. Der Schärschlitten 5 wird parallel zur Schärtrommelachse 7 mit einem Vorschubmotor 14 angetrieben. Die übrigen Antriebsmotoren zum Bewegen des Schärblatts bzw. der Messeinrichtung 8 sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Rechner 17 beinhaltet eine Vergleichseinrichtung 18, in welche die an der Messeinrichtung 8 ermittelten Werte für die Aussenkontur eingegeben werden. In die Vergleichseinrichtung 18 können Soll-Werte aus einer Garntabelle 21 eingegeben werden, welche empirisch ermittelte Werte in Abhängigkeit von Garnqualität und Garnnummer beinhaltet. An einem Bildschirm 20 können die von der Messeinrichtung 8 produzierten Signale abgelesen werden, wobei der Rechner 17 nach jedem Messvorgang Korrekturwerte für den nächsten Wickelvorgang vorschlägt. An einer Eingabekonsole 19 kann der Benutzer die vorgeschlagenen Werte übernehmen oder gegebenenfalls selber alternative Werte eingeben.

Die in der Garntabelle 21 gespeicherten Soll-Werte können nach jedem Messvorgang dadurch korrigiert werden, dass die vom Rechner vorgeschlagenen Korrekturwerte übernommen oder verworfen werden. Die rechnerisch gespeicherte Garntabelle 21 wird dabei permanent erweitert und verfeinert, je mehr unterschiedliche Garnqualitäten auf der Vorrichtung gewickelt werden.

In Figur 5 ist wiederum stark schematisiert ein erster Schärbandwickel 22.1 dargestellt. Der Konuswinkel α ist hier aus Gründen der besseren Darstellbarkeit ebenfalls grösser dargestellt als in der Realität. Nach der zur Erzeugung des Schärbandwickels 22.1 erforderlichen Anzahl Umdrehungen der Schärtrommel wird die Maschine angehalten und die Messeinrichtung 8 beginnt mit der Ermittlung der Aussenkontur 9. Dabei wird der Lasersensor in Pfeilrichtung b parallel zur Schärtrommelachse bewegt, wobei die Aussenkontur abgescannt wird. Gemessen wird allerdings nicht über die gesamte Schärbandbreite B, sondern lediglich über eine Messstrecke m, auf der wie dargestellt die stärkste Krümmung der Aussenkontur festgestellt werden kann. Auf der Basis der ermittelten Messwerte wird im Rechner ein Winkel β interpoliert, der für die spezifische Aussenkontur repräsentativ ist. Der Winkel kann dabei als Koeffizient ausgedrückt werden.

In Figur 6 ist schematisch der Aufbau von insgesamt drei Schärbandsektionen 6.1, 6.2 und 6.3 dargestellt, wobei die erste Schärbandsektion 6.1 in einer Lernphase gewickelt wurde, welche für die Wicklung der Schärbandsektionen 6.2 und 6.3 kopiert wurde. Für den Aufbau der ersten Schärbandsektion 6.1 wird wie folgt vorgegangen:

• Der Schärvorgang startet mit einem vorgegebenen Vorschub und wird bei S1 nach wenigen Millimetern Vorschub wieder angehalten, um am so entstandenen Kalibrierwickel 23 eine Kalibrierung der Messvorrichtung vorzunehmen. Danach startet der Schärvorgang automatisch mit dem gleichen Schärschlittenvorschub bis der erste Schärbandwickel 22.1 gewickelt ist und die Maschine bei S2 anhält. Der Schärschlitten kann dabei einen Weg von beispielsweise 20 mm zurücklegen, wobei dieser Wert in Abhängigkeit vom Setzverhalten auch ändern kann. Bei S2 erfolgt der erste Messvorgang wie oben beschrieben, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Wertes eine erste Änderung des Schlittenvorschubs vorgenommen wird. Der Rechner hat dabei den tatsächlich ermittelten Koeffizienten mit dem für die Wickelposition gewünschten Koeffizienten verglichen, womit der Fehler bekannt ist. Der Bediener kann dabei vorgeschlagene Korrekturwerte übernehmen oder ablehnen. Selbstverständlich wäre auch eine automatische Übernahme von Korrekturwerten möglich. Auf die gleiche Weise werden nun die Schärbandwickel 22.2, 22.3, 22.4 und 22.5 gewickelt, wobei die Maschine jeweils bei S3, S4 und S5 anhält, um eine Messung der Aussenkontur vorzunehmen und um den Schärschlittenvorschub noch insgesamt viermal zu beeinflussen. Der Rechner hat jetzt ein Vorschubprofil für die gesamte Schärbandsektion 6.1 gespeichert, das für die Schärbandsektionen 6.2 und 6.3 wiederholt wird. Diese weiteren Schärbandsektionen werden ohne Anhalten ununterbrochen gewickelt. Zur Qualitätskontrolle kann zuletzt eine Durchmessermessung des gesamten Schärwickels auf der Trommel an verschiedenen Punkten erfolgen. Ein idealer Wickelaufbau ist dann erreicht, wenn an jedem Messpunkt exakt der gleiche Aussendurchmesser gemessen wird.

Aus Figur 7 ist die räumliche Anordnung der am Roboterarm 13 befestigten Messeinrichtung 8 ersichtlich. Der Schärschlitten 5 ist auf den beiden Schlittenführungen 12 und 12' in Richtung X verschiebbar gelagert. Zur besseren Sichtbarmachung des Roboterarms 13 ist die Schlittenführung 12 teilweise unterbrochen. In Pfeilrichtung Z ist der Roboterarm zwischen den beiden Schlittenführungen 12 und 12' auf eine Querschiene 24 verschiebbar gelagert.

Die Figuren 8a und 8b veranschaulichen die Möglichkeit, nicht nur die Aussenkontur eines einzelnen Schärbandwickels, sondern die Gesamtwickelkontur einer Mehrzahl von Schärbandwickel zu ermitteln und daraus eine Steuergrösse für nachfolgende Gesamtwickel abzuleiten. Figur 8a zeigt einen Gesamtwickel bestehend aus den einzelnen Schärbandsektionen 6₁ bis 6₄. Gemessen wird wenigstens an einem ersten Messpunkt 26 unmittelbar am Auflaufpunkt auf dem Konusteil, am zweiten Messpunkt 27 entsprechend dem Scheitelpunkt des Gesamtwickels und am dritten Messpunkt 28 an dem vom Konusteil abgewandten Ende der Gesamtkontur. Diese drei Messpunkte bilden ersichtlicherweise ein Dreieck mit einer effektiven Höhe Δh eff und mit einer Höhendifferenz zwischen den Messpunkten 26 und 27 gemessen im rechten Winkel zur Schärtrommel von Δh. Die Grundseite des Dreiecks entsprechend der Geraden durch die Messpunkte 26 und 28 verläuft in einem Winkel zur zylindrischen Oberfläche der Trommel und Δh eff ist wesentlich kleiner als Δh. Eine derartige erste Kette muss optimiert werden, um fehlerhafte Kettfäden zu vermeiden.

Durch die Ableitung eines Steuersignals gebildet aus dem Messpunktedreieck 26, 27, 28 können nachfolgende Ketten bzw. die einzelnen Schärbandsektionen, aus denen sich diese Ketten zusammensetzen, derart optimiert werden, dass wenigstens eine tolerierbare Gesamtwickelkontur gebildet wird. Dies ist in Figur 8b dargestellt. Zwar bildet der Gesamtwickelquerschnitt nicht die ideale Konfiguration eines Parallelogramms. Δh ist jedoch gleich gross wie Δh eff und das Messpunktedreieck wurde derart gedreht, dass die Dreiecksgrundlinie parallel zur Schärtrommeloberfläche verläuft.